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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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public interface Attribute { } |
Shape:
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/** * 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:
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public class Circle extends Shape implements Attribute{ public String toString(){ return "Circle" ; } } |
Square:
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public class Square extends Shape{ public String toString(){ return "Square" ; } } |
Triangle:
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public class Triangle extends Shape{ public String toString(){ return "Triangle" ; } } |
类型检查:
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// instanceOf Circle c = new Circle(); // 判断是否超类的实例 System.out.format( "Using instanceof: %s is a shape? %b " , c.toString(), c instanceof Shape); // 判断是否Circle的实例 System.out.format( "Using instanceof: %s is a circle? %b " , 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 " , 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 " , 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:
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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:
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/** * 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:
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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:
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/** * 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:
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/** * 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:
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/** * 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。
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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 |