举例讲解Java的RTTI运行时类型识别机制
发布于 2016-08-12 03:26:51 | 171 次阅读 | 评论: 0 | 来源: 网友投递
Java程序设计语言
java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，是由Sun Microsystems公司于1995年5月推出的Java程序设计语言和Java平台（即JavaEE(j2ee), JavaME(j2me), JavaSE(j2se)）的总称。
这篇文章主要介绍了Java的RTTI运行时类型识别机制,包括泛化的Class引用以及类型检查instanceof等知识点,需要的朋友可以参考下
1、RTTI：
运行时类型信息可以让你在程序运行时发现和使用类型信息。
在Java中运行时识别对象和类的信息有两种方式：传统的RTTI，以及反射。下面就来说下RTTI。
RTTI：在运行时，识别一个对象的类型。但是这个类型在编译时必须已知。
下面通过一个例子来看下RTTI的使用。这里涉及到了多态的概念：让代码只操作基类的引用，而实际上调用具体的子类的方法，通常会创建一个具体的对象（Circle，Square，或者Triangle，见下例），把它向上转型为Shape（忽略了对象的具体类型），并在后面的程序中使用匿名（即不知道具体类型）的Shape引用：
abstract class Shape {
// this 调用当前类的toString()方法，返回实际的内容
void draw(){ System.out.println(this + "draw()"); }
// 声明 toString()为abstract类型，强制集成在重写该方法
abstract public String toString();
}
class Circle extends Shape {
public String toString(){ return "Circle"; }
}
class Square extends Shape {
public String toString(){ return "Square"; }
}
class Triangle extends Shape {
public String toString(){ return "Triangle"; }
}
public static void main(String[] args){
// 把Shape对象放入List<Shape>的数组的时候会向上转型为Shape，从而丢失了具体的类型信息
List<Shape> shapeList = Arrays.asList(new Circle(), new Square(), new Triangle());
// 从数组中取出时，这种容器，实际上所有的元素都当成Object持有，会自动将结果转型为Shape，这就是RTTI的基本的使用。
for(Shape shape : shapeList){
shape.draw();
}
}
输出结果为：
Circledraw()
Squaredraw()
Triangledraw()
存入数组的时候，会自动向上转型为Shape，丢失了具体的类型，当从数组中取出的时候，（List容器将所有的事物都当做Object持有），会自动将结果转型回Shape，这就是RTTI的基本用法。Java中所有的类型转换都是在运行时进行正确性检查的，也就是RTTI：在运行时，识别一个对象的类型。
上面的转型并不彻底，数组的元素取出时又Object转型为Shape，而不是具体的类型，编译时这是由容器和Java泛型系统来确保这一点的，而在运行时时有类型转换操作来确保这一点的。
而能够通过Shape对象执行到子类的具体代码就是又多态来决定的了，具体看Shape引用所指向的具体对象。
另外，使用RTTI，可以查询某个Shape引用所指向的对象的确切类型，然后选择性的执行子类的方法。
2、Class对象：
要了解RTTI在Java中的工作原理，必须知道类型信息在运行时是如何表示的，这里是由Class这个特殊对象完成的。
Class对象是用来创建类的所有的“常规”对象的。Java使用Class对象来执行其RTTI。
每当编译一个新类，就会产生一个Class对象（.class文件）。运行这个程序的JVM将使用“类加载器”这个子系统。
类加载器子系统：包含一条类加载器链，但只有一个原生类加载器，它是JVM实现的一部分。原生类加载器加载可信类，包括Java API类，通常是从本地磁盘加载的。当需要以某种特定的方式加载类，以支持Web服务器应用，可以挂接额外的类加载器。
2.1、加载类的时机：
当程序创建第一个对类的静态成员的引用时，就会加载这个类。这证明其实构造器也是类的静态方法，当使用new操作符创建类的新对象也会当做对类的静态成员的引用。
可见Java程序时动态加载的，按需加载。需要用到Class时，类加载器首先会检查这个类的Class对象是否已经加载，如果尚未加载，默认的类加载器就会根据类名查找到.class文件。接下来是验证阶段：加载时，它们会接受验证，以确保其没有被破坏，并且不包含不良Java代码。
2.2、Class相关方法，newInstance()
下面通过一个例子演示Class对象的加载：
class A {
// 静态代码库，在第一次被加载时执行，通过打印信息知道该类什么时候被加载
static { System.out.println("Loading A"); }
}
class B {
static { System.out.println("Loading B"); }
}
class C {
static { System.out.println("Loading C"); }
}
public class Load {
public static void main(String[] args){
System.out.println("execute main...");
new A();
System.out.println("after new A");
try {
Class.forName("com.itzhai.test.type.B");
} catch (ClassNotFoundException e) {
System.out.println("cloud not find class B");
}
System.out.println("after Class.forName B");
new C();
System.out.println("after new C");
}
}
输出结果为：
execute main...
Loading A
after new A
Loading B
after Class.forName B
Loading C
after new C
可见，Class对象在需要的时候才被加载，注意到这里的Class.forName()方法：
forName()方法是取得Class对象的引用的一种方法，通过这个方法获得恰当的Class对象的引用，就可以在运行时使用类型信息了。
如果你已经有了一个感兴趣的类型的对象，则可以通过跟类Object提供的getClass()方法来获得Class引用。
下面是一段Class的使用的代码：
interface X{}
interface Y{}
interface Z{}
class Letter {
Letter(){};
Letter(int i){};
}
class NewLetter extends Letter implements X, Y, Z{
NewLetter(){ super(1); };
}
public class ClassTest {
/**
* 打印类型信息
* @param c
*/
static void printInfo(Class c){
// getName()获得全限定的类名
System.out.println("Class name： " + c.getName() + " is interface? " + c.isInterface());
// 获得不包含包名的类名
System.out.println("Simple name: " + c.getSimpleName());
// 获得全限定类名
System.out.println("Canonical name: " + c.getCanonicalName());
}
public static void main(String[] args){
Class c = null;
try {
// 获得Class引用
c = Class.forName("com.itzhai.test.type.NewLetter");
} catch (ClassNotFoundException e) {
System.out.println("Can not find com.itzhai.test.type.NewLetter");
System.exit(1);
}
// 打印接口类型信息
for(Class face : c.getInterfaces()){
printInfo(face);
}
// 获取超类Class引用
Class up = c.getSuperclass();
Object obj = null;
try {
// 通过newInstance()方法创建Class的实例
obj = up.newInstance();
} catch (InstantiationException e) {
System.out.println("Can not instantiate");
} catch (IllegalAccessException e) {
System.out.println("Can not access");
}
// 打印超类类型信息
printInfo(obj.getClass());
}
}
输出为：
Class name： com.itzhai.test.type.X is interface? true
Simple name: X
Canonical name: com.itzhai.test.type.X
Class name： com.itzhai.test.type.Y is interface? true
Simple name: Y
Canonical name: com.itzhai.test.type.Y
Class name： com.itzhai.test.type.Z is interface? true
Simple name: Z
Canonical name: com.itzhai.test.type.Z
Class name： com.itzhai.test.type.Letter is interface? false
Simple name: Letter
Canonical name: com.itzhai.test.type.Letter
注意，在传递给forName()的字符串必须使用全限定名（包括包名）。
通过printInfo里面使用到的方法，你可以在运行时发现一个对象完整的类继承结构。
通过使用Class的newInstance()方法是实现“虚拟构造器”的一种途径，用来创建Class的实例，得到的是Object引用，但是引用时指向Letter对象。使用newInstance()来创建的类，必须带有默认的构造器。（而通过反射API，可以用任意的构造器来动态的创建类的对象）。
2.3、类字面常量：
除了使用getName()方法,Java还提供了另一种方法来生成对Class对象的引用，即使用类字面常量：
NewLetter.class;
此方法简单安全，编译时就受到检查，更高效。不仅可用于普通类，也可以用于接口，数组以及基本数据类型。另外，对于基本数据类型的包装器类，还有一个标准字段TYPE，TYPE字段是一个引用，执行对应的基本数据类型的Class对象。为了统一，建议都使用.class这种形式。
2.4、使用.class与使用getName()方法创建对象引用的区别：
使用.class创建时，不会自动的初始化Class对象。创建步骤如下：
（1）加载 由类加载器执行：查找字节码（通常是在classpath指定的路径中查找，但并非必须的），然后从这些字节码中创建一个Class对象。
（2）链接 将验证类中的字节码，为静态域分配存储空间，如果需要，将会解析这个类创建的对其他类的所有的引用。
（3）初始化 如果该类具有超类，则对其初始化，执行静态初始化器和静态初始化块。
初始化被延迟到了对静态方法（构造器隐式的是静态的）或者非常数静态域进行首次引用时才执行的：
class Data1{
static final int a = 1;
static final double b = Math.random();
static {
System.out.println("init Data1...");
}
}
class Data2{
static int a = 12;
static {
System.out.println("init Data2...");
}
}
class Data3{
static int a = 23;
static {
System.out.println("init Data3...");
}
}
public class ClassTest2 {
public static void main(String[] args){
System.out.println("Data1.class: ");
Class data1 = Data1.class;
System.out.println(Data1.a); // 没有初始化Data1
System.out.println(Data1.b); // 初始化了Data1
System.out.println(Data2.a); // 初始化了Data2
try {
Class data3 = Class.forName("com.itzhai.test.type.Data3"); // 初始化了Data3
} catch (ClassNotFoundException e) {
System.out.println("can not found com.itzhai.test.type.Data3...");
}
System.out.println(Data3.a);
}
}
输出的结果为：
Data1.class:
1
init Data1...
0.26771085109184534
init Data2...
12
init Data3...
23
初始化有效的实现了尽可能的“惰性”。
2.5、下面是判断是否执行初始化的一些情况：
（1）class语法获得对类的引用不会引发初始化；
（2）Class.forName()产生了Class引用，立即进行了初始化；
（3）如果一个static final值是“编译器常量”，那么这个值不需要对类进行初始化就可以被读取；
（4）如果只是把一个域设置为static final还不足以确保这种行为，例如上面的：
static final double b = Math.random();
（5）如果一个static域bushifinal的，那么在对它访问时，总是要先进性链接和初始化；
2.6、泛化的Class引用：
Class引用表示的是它所指向的对象的确切类型，而该对象便是Class类的一个对象。在JavaSE5中，可以通过泛型对Class引用所指向的Class对象进行限定，并且可以让编译器强制执行额外的类型检查：
Class intCls = int.class;
// 使用泛型限定Class指向的引用
Class<Integer> genIntCls = int.class;
// 没有使用泛型的Clas可以重新赋值为指向任何其他的Class对象
intCls = double.class;
// 下面的编译会出错
// genIntCls = double.class;
2.6.1、使用通配符?放松泛型的限定：
Class<?> intCls = int.class;
intCls = String.class;
在JavaSE5中，Class<?>优于平凡的Class，更建议使用Class<?>，即便它们是等价的，因为Class<?>的好处是它表示你并非是碰巧或者疏忽，而是使用了一个非具体的类引用。
为了限定Class的引用为某种类型，或者该类型的子类型可以将通配符与extends一起使用，创建一个范围：
Class<? extends Number> num = int.class;
// num的引用范围为Number及其子类，所以可以按照如下赋值
num = double.class;
num = Number.class;
2.6.2、泛型下的newInstance()方法：
使用了泛型后的Class，调用newInstance()返回的对象是确切类型的，但是当你使用getSuperclass()获取泛型对应的超类的时候真正的类型会有一些限制：编译器在编译期就知道了超类的类型，但是，通过这个获取到的超类引用的newInstance()方法返回的不是精确类型，而是Object：
Dog dog = dogCls.newInstance();
abstract class Animal {
}
class Dog extends Animal{
}
// 下面的写法是错误的，只能返回 Class<? super Dog>类型
// Class<Animal> animalCls = dogCls.getSuperclass();
Class<? super Dog> animalCls = dogCls.getSuperclass();
// 通过获取的超类引用，只能创建返回Object类型的对象
Object obj = animalCls.newInstance();
2.6.3、新的转型语法：cast()方法
直接看下代码：
Animal animal = new Dog();
Class<Dog> dogCls = Dog.class;
Dog dog = dogCls.cast(animal);
// 或者直接使用下面的转型方法
dog = (Dog)animal;
可以发现，使用cast()方法的做了额外的工作，这种转换方法可以用在一下的情况中：在编写泛型带的时候，如果存储了Class引用，并希望通过这个Class引用来执行转型，就可以使用cast()方法。
3、类型检查 instanceof
3.1、类型转换前先做检查
编译器允许你自由的做向上转型的赋值操作，而不需要任何显示的转型操作，就好像给超类的引用赋值那样。
然而如果不使用显示的类型转换，编译器就不允许你执行向下转换赋值，这个时候我们不妨先来检查一下对象是不是某个特定类型的实例，使用到了关键字 instanceof：
if(x instanceof Dog)
((Dog) x).bark();
3.2、RTTI的形式：
所以，到目前为止，我们知道RTTI的形式包括：
（1）传统的类型转换 (Shape)
（2）代表对象的类型的Class对象
（3）关键字instanceof
3.3、动态的instanceof方法：
Class.isInstance方法提供给了一种动态测试对象的途径。
下面演示下instanceof和Class.isInstance的用法：
Attribute:
public interface Attribute {
}
Shape:
/**
* 创建一个抽象类
*/
public abstract class Shape{
// this调用了当前类的toString方法获得信息
public void draw() { System.out.println(this + ".draw()"); }
// 声明toString()方法为abstract，从而强制继承者需要重写该方法。
abstract public String toString();
}
Circle:
public class Circle extends Shape implements Attribute{
public String toString(){ return "Circle"; }
}
Square:
public class Square extends Shape{
public String toString(){ return "Square"; }
}
Triangle:
public class Triangle extends Shape{
public String toString(){ return "Triangle"; }
}
类型检查：
// instanceOf
Circle c = new Circle();
// 判断是否超类的实例
System.out.format("Using instanceof: %s is a shape? %b\n",
c.toString(), c instanceof Shape);
// 判断是否Circle的实例
System.out.format("Using instanceof: %s is a circle? %b\n",
c.toString(), c instanceof Circle);
// 判断是否超类的实例
System.out.format("Using Class.isInstance: %s is a shape? %b\n",
c.toString(), Shape.class.isInstance(c));
// 判断是否接口的实例
System.out.format("Using Class.isInstance: %s is a Attribute? %b\n",
c.toString(), Attribute.class.isInstance(c));
可以发现，instanceof或者Class.isInstance方法判断了是否继承体系的实例，即除了判断本身，还判断是否超类或接口的实例。
下面演示下使用动态的Class.instance的用法：
首先创建一个抽象的形状生成器类：
public abstract class ShapeCreator {
private Random rand = new Random(10);
// 返回一个对象类型数组，由实现类提供，后面会看到两种实现形式，基于forName的和基于类字面常量的.class
public abstract List<Class<? extends Shape>> types();
// 随机生成一个对象类型数组中的类型对象实例
public Shape randomShape(){
int n = rand.nextInt(types().size());
try {
return types().get(n).newInstance();
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
return null;
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
return null;
}
}
// 生成一个随机数组
public Shape[] createArray(int size){
Shape[] result = new Shape[size];
for(int i=0; i<size; i++){
result[i] = randomShape();
}
return result;
}
// 生成一个随机数组，泛型的ArrayList
public ArrayList<Shape> arrayList(int size){
ArrayList<Shape> result = new ArrayList<Shape>();
Collections.addAll(result, createArray(size));
return result;
}
}
接下来编写一个该抽象类的实现：
/**
* forName的生成器实现
* @author arthinking
*
*/
public class ForNameCreator extends ShapeCreator{
private static List<Class<? extends Shape>> types =
new ArrayList<Class<? extends Shape>>();
private static String[] typeNames = {
"com.itzhai.javanote.entity.Circle",
"com.itzhai.javanote.entity.Square",
"com.itzhai.javanote.entity.Triangle"
};
@SuppressWarnings("unused")
private static void loader(){
for(String name : typeNames){
try {
types.add((Class<? extends Shape>)Class.forName(name));
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
// 初始化加载所需的类型数组
static {
loader();
}
public List<Class<? extends Shape>> types() {
return types;
}
}
最后写一个统计形状个数的类，里面用到了instanceof：
public class ShapeCount {
static class ShapeCounter extends HashMap<String, Integer>{
public void count(String type){
Integer quantity = get(type);
if(quantity == null){
put(type, 1);
} else {
put(type, quantity + 1);
}
}
}
// 演示通过instanceof关键字统计对象类型
public static void countShapes(ShapeCreator creator){
ShapeCounter counter = new ShapeCounter();
for(Shape shape : creator.createArray(20)){
if(shape instanceof Circle)
counter.count("Circle");
if(shape instanceof Square)
counter.count("Square");
if(shape instanceof Triangle){
counter.count("Triangle");
}
}
System.out.println(counter);
}
public static void main(String[] args){
countShapes(new ForNameCreator());
}
}
改写一下抽象类的实现，重新用类字面常量实现：
/**
* 字面量的生成器实现
*/
public class LiteralCreator extends ShapeCreator{
public static final List<Class<? extends Shape>> allType =
Collections.unmodifiableList(Arrays.asList(Circle.class, Triangle.class, Square.class));
public List<Class<? extends Shape>> types(){
return allType;
}
public static void main(String[] args){
System.out.println(allType);
}
}
现在使用Class.instance统计形状的个数如下：
/**
* 通过使用Class.instanceof动态的测试对象，移除掉原来的ShapeCount中单调的instanceof语句
*
*/
public class ShapeCount2 {
private static final List<Class<? extends Shape>> shapeTypes = LiteralCreator.allType;
static class ShapeCounter extends HashMap<String, Integer>{
public void count(String type){
Integer quantity = get(type);
if(quantity == null){
put(type, 1);
} else {
put(type, quantity + 1);
}
}
}
// 演示通过Class.isInstance()统计对象类型
public static void countShapes(ShapeCreator creator){
ShapeCounter counter = new ShapeCounter();
for(Shape shape : creator.createArray(20)){
for(Class<? extends Shape> cls : shapeTypes){
if(cls.isInstance(shape)){
counter.count(cls.getSimpleName());
}
}
}
System.out.println(counter);
}
public static void main(String[] args){
countShapes(new ForNameCreator());
}
}
现在生成器有了两种实现，我们在这里可以添加一层外观，设置默认的实现方式：
/**
* 现在生成器有了两种实现，我们在这里添加一层外观，设置默认的实现方式
*/
public class Shapes {
public static final ShapeCreator creator =
new LiteralCreator();
public static Shape randomShape(){
return creator.randomShape();
}
public static Shape[] createArray(int size){
return creator.createArray(size);
}
public static ArrayList<Shape> arrayList(int size){
return creator.arrayList(size);
}
}
3.4、instanceof与Class的等价性：
instanceof和isInstance()生成的结果完全一样，保持了类型的概念，判断是否一个类或者是这个类的派生类。
equals()与==也是一样的，而使用这个比较实际的Class对象，就没有考虑继承。
System.out.println(new Circle() instanceof Circle); // true
System.out.println(Shape.class.isInstance(new Circle())); // true
System.out.println((new Circle()).getClass() == Circle.class); // true
System.out.println((new Circle().getClass()).equals(Shape.class)); // false