Java RTTI機制與反射機制

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1.1 什麼是RTTI？

維基百科的定義：In computer programming, RTTI (Run-Time Type Information, or Run-Time Type Identification) refers to a C++ mechanism that exposes information about an object‘s data type at runtime. Run-time type information can apply to simple data types, such as integers and characters, or to generic types. This is a C++ specialization of a more general concept called type introspection. 

運行時類型資訊使得你可以在程式運行時發現和使用類型資訊。Runtime type information (RTTI) allows you to discover and use type information while a program is running.

簡而言之：當有一個指向基類對象的引用時，使用RTTI可以查詢這個引用所引用的對象的確切類型。

在java中可以通過兩種方式讓我們在運行時識別對象和類的資訊：

（1）傳統的RTTI：它假設我們在編譯時間已經知道了所有的類型；

（2）反射機制：它允許我們在運行時發現和使用類的資訊。

 

1.2 為什麼需要RTTI？

通常需要知道某個參考型別的變數（為了利用多態的優勢，一般是泛化引用，即指向父類的引用變數）所引用的對象的具體類型， 以便根據具體的類型再做具體的不同的操作。使用RTTI可以協助我們確定泛化引用所引用對象的確切類型。

一般是如下流程：判斷引用變數的具體類型 → 轉換為具體的類型 → 執行特殊類型相關的操作。

 

1.3 Java中類型資訊在運行時是如何表示的？

這是由Class對象表示的，它包含了與類有關的資訊。Java使用Class對象來執行其RTTI，即使你正在執行的是類似轉換這樣的操作。（Java performs its RTTI using the Class object, even if you’re doing something like a cast.）

 

2.1 傳統的RTTI

嚴格的說，反射也是一種形式的RTTI，不過，一般的文檔資料中把RTTI和反射分開，因為一般的，大家認為RTTI指的是傳統的RTTI。 

Java中使用RTTI的3種形式（java中已知的RTTI形式）

（1）傳統的類型轉換

比如“（Type）”，由RTTI確保類型轉換的正確性，如果執行了一個錯誤的類型轉換，會拋出ClassCastException。在Java中，所有的類型轉換都是在運行才進行正確性檢查的。所以在運行時需要識別一個對象的類型。注意，C++中類型轉換是不會使用RTTI的。

傳統的RTTI使用轉型或instanceof形式（即以instanceof的形式或isInstance()的形式）實現，但都需要指定要轉型的類型，比如：

    public void rtti(Object obj){        Orange orange = (Orange)obj;    //其中的obj雖然是被轉型了，但在編譯期，就需要知道要轉成的類型Orange，也就是需要Orange的.class檔案        //Class clazz = Class.forName("rtti.Orange");    //相對的，反射完全在運行時在通過Class類來確定類型，不需要提前載入Orange的.class檔案。    }

 

（2）代表物件類型的Class對象

通過查詢Class對象可以擷取運行時所需的資訊。（用了Class對象，不代表就是反射，如果只是用Class對象cast成指定的類，那就還是傳統的RTTI）。其實反射和RTTI並沒有什麼本質的區別，因為java的類都是在運行是載入並解析的，而且兩者通過Class對象來擷取類型資訊。只是RTTI能夠維護的類型都是編譯時間已知的類型，而反射可以使用一些在編譯時間完全不可知的類型。

        Class clazz = Orange.class;    //擷取Class對象,Orange這個類必須是編譯時間可知的        System.out.println(clazz.getName());    //利用class對應擷取各種類型資訊        System.out.println(clazz.getTypeName());        System.out.println(clazz.getSuperclass());        System.out.println(clazz.isInterface());

 

（3）instanceof或Class.isInstance()

傳統的RTTI使用轉型或instanceof形式（即以instanceof的形式或isInstance()的形式）實現，但都需要指定要轉型的類型，比如：

        if(x instanceof Apple){    //Apple這個類必須是編譯時間可知的，編譯器在編譯時間會去開啟和檢查Apple對應的.class檔案            ((Apple)x).info();                        }                x.getClass().isInstance(apple);//聲明apple對象的類必須是編譯時間可知的

 

2.2 RTTI與反射的區別

使用RTTI必須滿足一個條件：如果想知道泛化引用的確切類型，那麼這個類在編譯時間必須可知。

 

通過RTTI可以查詢到某個對象的確切類型，這個類型在編譯時間必須已知（要麼是系統類別庫中的類，要麼是你自己在代碼中定義的類，因為一個Class定義最終會轉換成一個.class檔案，所以編譯器會去尋找看有沒有對應的.class檔案，沒有的話在編譯時間就報錯“錯誤：找不到符號”，這個過程是在編譯階段完成的），這樣才能使用RTTI識別它。換句話說，在編譯時間，編譯器必須知道所有要通過RTTI來處理的類。

 

RTTI與反射的區別如下：

RTTI：由編譯器在編譯時間開啟和檢查*.class檔案。

反射機制：由JVM在運行時開啟和檢查*.class檔案。

 

            Class clazz1 = Class.forName("rtti.Apple");    //在編譯階段編譯器不會檢查和開啟字串"rtti.Apple"指定的類對應的.class檔案，而是在運行期間由JVM載入。            System.out.println(clazz1.getName());    

        Fruit fruit = new Bnana();    //編譯階段編譯器會去尋找Fruit類和Apple類各自對應的.class檔案。        Class clazz2 = fruit.getClass();        System.out.println(clazz2.getName());

 

疑問：編譯器在編譯時間開啟和檢查*.class檔案的這一過程中具體都幹了什嗎？

 

3.1 反射機制

維基百科的定義：In computer science, reflection is the ability of a computer program to examine (see type introspection) and modify the structure and behavior (specifically the values, meta-data, properties and functions) of the program at runtime.

 

並不是所有的類型都能在編譯的時候確定下來（比如有輸入一個類名顯示出這個類的所有方法的程式），所以得把開啟和檢查.class檔案的工作推到運行時再處理。典型的情境是“基於構件的編程”和遠程方法調用(RMI) 。

 

Class.forName()產生的結果在編譯時間是不可知的，也就是說，編譯時間不會去驗證參數字串對應的類是否存在。這都是在啟動並執行時候由JVM處理的，所以這個方法會拋出ClassNotFoundException。

 

Class類支援反射，是在java.lang.reflect中包含了Field/Method/Constructor類，每個類都實現了Member介面。這些類型的對象都是由JVM在運行時建立的，用來表示未知類裡對應的成員。如可以用Constructor類建立新的對象，用get()和set()方法讀取和修改與Field對象關聯的欄位，用invoke()方法調用與Method對象關聯的方法。同時，還可以調用getFields()、getMethods()、getConstructors()等方法來返回表示欄位、方法以及構造器的對象數組。這樣，未知的對象的類資訊在運行時就能被完全確定下來，而在編譯時間不需要知道任何資訊。

 

3.2 如何擷取Class對象

（1）Class.forName(String packageNamePlusClassName);

（2）Object.getClass();

（3）類字面常量

 

3.3泛化的Class引用

（1）萬用字元方式

Class<?> intClass  = int.class;

（2）extends實現範圍限定

Class<? extends NUmber> bounded = int.class;

（3）super方式

Class<Apple> apClass = Apple.class;Apple apple = apClass.newInstance();Class<? super Fruit> up = apClass.getSuperclass();

 

3.4 instanceof與class的等價性

（1）instanceof 與 isInstance()產生的結果完全一樣，equal與==也一樣。

（2）Instanceof與isInstance()保持了類型的概念，它指的是“你是這個類，或者是這個類的衍生類別嗎？”

（3）equal與==比較實際的Class對象，沒有考慮繼承——它或者是這個確切的類型，或者不是。

 

4.總結

JAVA編程思想，第14章末尾的總結一節的概括：

第1段的意思，使用RTTI可以發現引用變數的確切類型，然後根據引用變數具體的確切類型執行對應的操作（類似switch語句，P327的例子）。這種方式就沒有使用多態，失去了多態的價值。所以盡量使用多態機制，只是在必需的時候才使用RTTI。

第2-4段，概述了RTTI在部分情境下的優勢，分別舉例說明使用RTTI可以解決的問題。

 

參考資料

JAVA編程思想，第14章，第8章 8.5.2

http://www.cnblogs.com/zhguang/p/3091378.htm

http://blog.csdn.net/cannel_2020/article/details/7226108

http://blog.csdn.net/a81895898/article/details/8457623

http://blog.sina.com.cn/s/blog_548c8a8301013j6u.html

 

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