Java注解与反射机制详解

一、注解(Annotation)基础

1. 注解概述

注解(Annotation)是从JDK5.0开始引入的新技术，其特点包括：

• 不是程序本身，可以对程序作出解释
• 可以被其他程序(如编译器)读取
• 格式为"@注释名"，可添加参数值，如@SuppressWarnings(value="unchecked")
• 可附加在package、class、method、field等元素上，为其添加额外辅助信息

2. 内置注解

Java提供了三种基本内置注解：

1. @Override

   • 定义在java.lang.Override中
   • 只适用于修辞方法，表示方法声明打算重写超类中的方法

2. @Deprecated

   • 定义在java.lang.Deprecated中
   • 可用于修辞方法、属性、类
   • 表示不鼓励程序员使用该元素，通常因为它很危险或有更好的选择

3. @SuppressWarnings

   • 定义在java.lang.SuppressWarnings中
   • 用来抑制编译时的警告信息
   • 需要添加参数才能正确使用，如：

     @SuppressWarnings("all")
     @SuppressWarnings("unchecked")
     @SuppressWarnings(value={"unchecked","deprecation"})
     

3. 元注解

元注解负责注解其他注解，Java定义了4个标准的meta-annotation类型：

1. @Target

   • 用于描述注解的使用范围
   • 参数为ElementType枚举值，如TYPE、METHOD、FIELD等

2. @Retention

   • 表示注解的生命周期
   • 参数为RetentionPolicy枚举值：
     • SOURCE：源码级别保留
     • CLASS：类文件级别保留
     • RUNTIME：运行时保留(可通过反射获取)

3. @Documented

   • 说明该注解将被包含在javadoc中

4. @Inherited

   • 说明子类可以继承父类中的该注解

4. 自定义注解

使用@interface自定义注解时，自动继承了java.lang.annotation.Annotation接口：

@Target({ElementType.TYPE,ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@interface MyAnnotation{
    String name() default "";
    int age() default 0;
    int id() default -1; //-1代表不存在
    String[] schools();
}

@interface MyAnnotation2{
    //只有一个参数时建议用value命名
    String value();
}

使用自定义注解：

@MyAnnotation(name = "Red",schools = {"河北大学"})
public void test(){}

@MyAnnotation2("Red") //可省略value=
public void test2(){}

二、反射(Reflection)机制

1. 反射概述

反射是Java被视为动态语言的关键，反射机制允许程序在执行期借助于Reflection API取得任何类的内部信息，并能直接操作任意对象的内部属性及方法。

Class c = Class.forName("java.lang.String");

加载类后，在堆内存的方法区中会产生一个Class类型的对象(一个类只有一个Class对象)，这个对象包含了完整的类的结构信息。

2. 获取Class对象的方式

1. 已知具体类：

   Class clazz = Person.class;
   

2. 通过对象实例：

   Class clazz = person.getClass();
   

3. 通过全类名：

   Class clazz = Class.forName("demo1.Student");
   

4. 基本数据类型：

   Class c4 = Integer.TYPE;
   

5. 通过ClassLoader：

   ClassLoader cl = this.getClass().getClassLoader();
   Class clazz = cl.loadClass("类的全限定名");
   

3. 所有类型的Class对象

Java中可以有Class对象的类型包括：

• class：外部类、成员内部类、静态内部类、局部内部类、匿名内部类
• interface：接口
• []：数组
• enum：枚举
• annotation：注解(@interface)
• primitive type：基本数据类型
• void

4. 类加载内存分析

Java内存区域

• 堆：存放new的对象和数组
• 栈：存放基本变量类型和引用对象的变量
• 方法区：包含所有的class和static变量

类的加载过程

1. 加载：将class文件字节码内容加载到内存
2. 链接：将静态数据转换成方法区的运行时数据结构
3. 初始化：执行类构造器<clinit>()方法

类初始化时机

主动引用(会触发初始化)：

• 创建类的实例(new)
• 访问类的静态变量或静态方法
• 使用反射对类进行调用
• 初始化子类时父类也会被初始化

被动引用(不会触发初始化)：

• 通过子类引用父类的静态变量
• 通过数组定义类引用
• 引用常量(在链接阶段已存入常量池)

5. 类加载器

类加载器作用是将类(class)装载进内存，JVM规范定义了以下类加载器：

1. Bootstrap ClassLoader：

   • 加载JRE/lib/rt.jar中的核心类库
   • C++编写，Java无法直接获取

2. Extension ClassLoader：

   • 加载JRE/lib/ext目录下的jar包

3. System/Application ClassLoader：

   • 加载classpath指定的内容

//获取系统类加载器
ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
//获取扩展类加载器
ClassLoader parent = systemClassLoader.getParent();
//获取根加载器(返回null)
ClassLoader parent1 = parent.getParent();

6. 获取运行时结构

通过反射可以获取类的完整结构：

Class c1 = Class.forName("com.red.study.reflection.User");

//获取类名
c1.getName(); //包名+类名
c1.getSimpleName(); //类名

//获取方法
Method[] methods = c1.getMethods(); //获取public方法
methods = c1.getDeclaredMethods(); //获取所有方法(包括private)

//获取属性
Field[] fields = c1.getFields(); //获取public属性
fields = c1.getDeclaredFields(); //获取所有属性

//获取构造器
Constructor[] constructors = c1.getConstructors(); //获取public构造器
constructors = c1.getDeclaredConstructors(); //获取所有构造器

7. 动态创建对象

通过反射可以动态创建对象并调用方法：

//1. 通过无参构造创建实例
User user = (User)c1.newInstance();

//2. 通过有参构造创建实例
Constructor constructor = c1.getDeclaredConstructor(String.class, int.class, int.class);
User user = (User)constructor.newInstance("Red", 18, 2000);

//3. 通过反射调用方法
Method setName = c1.getDeclaredMethod("setName", String.class);
setName.invoke(user, "Honglu"); //激活方法

//4. 通过反射操作属性
Field name = c1.getDeclaredField("name");
name.setAccessible(true); //关闭安全检查(访问private属性需要)
name.set(user, "Red");

8. 反射获取注解信息

通过反射可以获取类、方法、字段上的注解信息：

//获取类上的注解
Annotation[] annotations = c1.getAnnotations();
TableRed tableRed = (TableRed)c1.getAnnotation(TableRed.class);
String value = tableRed.value();

//获取字段上的注解
Field f = c1.getDeclaredField("name");
FieldRed fieldRed = f.getAnnotation(FieldRed.class);
System.out.println(fieldRed.columnName());
System.out.println(fieldRed.type());
System.out.println(fieldRed.length());

三、性能与安全

1. 反射性能问题

• 反射操作比直接调用慢
• 关闭安全检查(setAccessible(true))可提高性能
• 建议缓存反射获取的Class、Method等对象

2. 反射安全限制

• 可以突破private限制访问类成员
• 可能破坏封装性
• 需要安全管理器控制反射权限

四、应用场景

1. 框架开发：Spring、Hibernate等大量使用反射
2. 动态代理：AOP实现的基础
3. 注解处理：运行时处理自定义注解
4. 工具开发：如IDE的代码提示功能
5. 测试工具：JUnit等测试框架

五、总结

Java注解和反射机制为Java提供了强大的动态能力，虽然反射会带来一定的性能开销和安全问题，但在框架开发、动态代理等场景中是不可或缺的重要技术。合理使用注解和反射可以大大提高程序的灵活性和可扩展性。