深入理解Java类型信息(Class对象)

青旅半醒 2021-09-19 11:58 342阅读 0赞

**RTTI**（Run-Time Type Identification）运行时类型识别，对于这个词一直是 C++ 中的概念，至于Java中出现RRTI的说法则是源于《Thinking in Java》一书，其作用是在运行时识别一个对象的类型和类的信息。这里分两种：

*  编译期的：也叫传统的”RRTI”，它假定我们在编译期已知道了所有类型(在没有反射机制创建和使用类对象时，一般都是编译期已确定其类型，如new对象时该类必须已定义好)，
 *  另外一种是运行期的：利用反射机制它允许我们在运行时发现和使用类型的信息。

在Java中用来表示运行时类型信息的对应类就是Class类，Class类也是一个实实在在的类，存在于JDK的java.lang包中。

**Class对象**

Class类被创建后的对象就是Class对象，Class对象表示的是自己手动编写类的类型信息，比如创建一个Shapes类，那么，JVM就会创建一个Shapes对应Class类的Class对象，该Class对象保存了Shapes类相关的类型信息。

实际上在Java中每个类都有一个Class对象，每当我们编写并且编译一个新创建的类就会产生一个对应Class对象并且这个Class对象会被保存在同名.class文件里(编译后的字节码文件保存的就是Class对象)，那为什么需要这样一个Class对象呢？是这样的，当我们new一个新对象或者引用静态成员变量时，Java虚拟机(JVM)中的类加载器子系统会将对应Class对象加载到JVM中，然后JVM再根据这个类型信息相关的Class对象创建我们需要实例对象或者提供静态变量的引用值。注意，我们定义的一个类，无论创建多少个实例对象，在JVM中都只有一个Class对象与其对应，即：在内存中每个类有且只有一个相对应的Class对象，如图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

到这我们也就可以得出以下几点信息：

*  Class类也是类的一种，其创建后的对象称作class对象；
 *  手动编写的类被编译后会产生一个Class对象，其表示的是创建的类的类型信息，而且这个Class对象保存在同名.class的文件中(字节码文件)，比如创建一个Shapes类，编译Shapes类后就会创建其包含Shapes类相关类型信息的Class对象，并保存在Shapes.class字节码文件中；
 *  每个通过关键字class标识的类，无论创建多少个实例对象，在内存中有且只有一个与之对应的Class对象来描述其类型信息；
 *  Class类只有私有构造函数，因此对应Class对象只能有JVM创建和加载；
 *  Class类的对象作用是运行时提供或获得某个对象的类型信息，这点对于反射技术很重要；

注：Class对象是后面反射的基础，反射包中的很多类都需要和Class对象一起配合使用。

**Class对象加载及获取方式**

**1、Class对象的加载：**

前面我们已提到过，Class对象是由JVM加载的。

实际上所有的类都是在对其第一次使用时动态加载到JVM中的，当程序创建第一个对类的静态成员引用时，就会加载这个被使用的类(实际上加载的就是这个类的字节码文件)。注：使用new创建类的新实例对象也会被当作对类的静态成员的引用(构造函数也是类的静态方法)

由此看来Java程序在它们开始运行之前并非被完全加载到内存的，其各个部分是按需加载，所以在使用该类时，类加载器首先会检查这个类的Class对象是否已被加载(类的实例对象创建时依据Class对象中类型信息完成的)，如果还没有加载，默认的类加载器就会先根据类名查找.class文件(编译后Class对象被保存在同名的.class文件中)，在这个类的字节码文件被加载时，它们必须接受相关验证，以确保其没有被破坏并且不包含不良Java代码(这是java的安全机制检测)，完全没有问题后就会被动态加载到内存中，此时相当于Class对象也就被载入内存了(毕竟.class字节码文件保存的就是Class对象)，同时也就可以根据这个类的Class对象来创建这个类的所有实例对象。下面通过一个简单例子来说明Class对象被加载的时机问题（例子引用自Thinking in Java）：

package com.zejian;
    
    class Candy {
      static {   System.out.println("Loading Candy"); }
    }
    
    class Gum {
      static {   System.out.println("Loading Gum"); }
    }
    
    class Cookie {
      static {   System.out.println("Loading Cookie"); }
    }
    
    public class SweetShop {
      public static void print(Object obj) {
        System.out.println(obj);
      }
      public static void main(String[] args) {  
        print("inside main");
        new Candy();
        print("After creating Candy");
        try {
          Class.forName("com.zejian.Gum");
        } catch(ClassNotFoundException e) {
          print("Couldn't find Gum");
        }
        print("After Class.forName(\"com.zejian.Gum\")");
        new Cookie();
        print("After creating Cookie");
      }
    }

上述代码中,每个类Candy、Gum、Cookie都存在一个static语句，这个语句会在类第一次被加载时执行，这个语句的作用就是告诉我们该类在什么时候被加载，执行结果：

inside main
    Loading Candy
    After creating Candy
    Loading Gum
    After Class.forName("com.zejian.Gum")
    Loading Cookie
    After creating Cookie
    
    Process finished with exit code 0

从结果来看，new一个Candy对象和Cookie对象，构造函数将被调用，属于静态方法的引用，Candy类的Class对象和Cookie的Class对象肯定会被加载（毕竟Candy、Cookie实例对象的创建依据他们对应的Class对象）。

forName方法是Class类的一个static成员方法（所有的Class对象都源于这个Class类，因此Class类中定义的方法将适应所有Class对象）这里通过forName方法，我们可以获取到Gum类对应的Class对象引用。从打印结果看，调用forName方法将会导致Gum类被加载(前提是Gum类从来没有被加载过)。

总结：某个类的Class对象是随着JVM加载该类过程中一起被加载到内存的。

**2、获取一个类的Class对象：**

2.1获取类的Class对象有如下三种方法：

1）上面例子我们已经知道**Class.forName()**方法的调用将会返回一个对应类的Class对象，因此如果我们想获取一个类的运行时类型信息并加以使用时，可以调用Class.forName()方法获取Class对象的引用，这样做的好处是无需通过持有该类的实例对象引用而去获取Class对象；

2）调用一个实例对象的**getClass()**方法（getClass方法从顶级类Object继承而来的）获取其类的Class对象（表示该对象的实际类型的Class对象引用）；

3）通过**Class字面常量方法**生成类的Class对象引用；这种方式相对前面两种方法更加简单、安全、高效。因为它在编译器就会受到编译器的检查，同时通过字面量的方法获取Class对象的引用不会自动初始化该类（forName()、getClass()方法都需要加载类）。更加有趣的是字面常量的获取Class对象引用方式不仅可以应用于普通的类，也可以应用用接口，数组以及基本数据类型，这点在反射技术应用传递参数时很有帮助；此外，基本数据类型都对应一个基本包装类型，其包装类型有一个标准字段TYPE，而这个TYPE就是一个引用，指向基本数据类型的Class对象，一般情况下更倾向使用.class的形式，这样可以保持与普通类的形式统一，例如：

boolean.class = Boolean.TYPE;
    char.class = Character.TYPE;
    byte.class = Byte.TYPE;
    short.class = Short.TYPE;
    int.class = Integer.TYPE;
    long.class = Long.TYPE;
    float.class = Float.TYPE;
    double.class = Double.TYPE;
    void.class = Void.TYPE;

示例：

public static void main(String[] args) {
    
        try{
          //通过Class.forName获取Gum类的Class对象
          Class clazz=Class.forName("com.zejian.Gum");
          System.out.println("forName=clazz:"+clazz.getName());
        }catch (ClassNotFoundException e){
          e.printStackTrace();
        }
    
        //通过实例对象获取Gum的Class对象
        Gum gum = new Gum();
        Class clazz2=gum.getClass();
        System.out.println("new=clazz2:"+clazz2.getName());
    
        //字面常量的方式获取Class对象
        Class clazz3 = Gum.class;
        System.out.println("new=clazz3:"+clazz3.getName());
      }

注：调用forName方法时需要捕获一个名称为ClassNotFoundException的异常，因为forName方法在编译器是无法检测到其传递的字符串对应的类是否存在的，只能在程序运行时进行检查。

2.2简述类加载过程

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

*  加载：类加载过程的一个阶段，通过一个类的完全限定查找此类字节码文件，并利用字节码文件创建一个Class对象；
 *  链接：验证字节码的安全性和完整性，准备阶段正式为静态域分配存储空间，注意此时只是分配静态成员变量的存储空间，不包含实例成员变量，如果必要的话，解析这个类创建的对其他类的所有引用；
 *  初始化：类加载最后阶段，若该类具有超类，则对其进行初始化，执行静态初始化器和静态初始化成员变量。

我们获取字面常量的Class引用时，触发的应该是加载阶段，因为在这个阶段Class对象已创建完成，获取其引用并不困难，而无需触发类的最后阶段初始化。通过小例子来验证这个过程：

import java.util.*;
    
    class Initable {
      //编译期静态常量
      static final int staticFinal = 47;
      //非编期静态常量
      static final int staticFinal2 =
        ClassInitialization.rand.nextInt(1000);
      static {
        System.out.println("Initializing Initable");
      }
    }
    
    class Initable2 {
      //静态成员变量
      static int staticNonFinal = 147;
      static {
        System.out.println("Initializing Initable2");
      }
    }
    
    class Initable3 {
      //静态成员变量
      static int staticNonFinal = 74;
      static {
        System.out.println("Initializing Initable3");
      }
    }
    
    public class ClassInitialization {
      public static Random rand = new Random(47);
      public static void main(String[] args) throws Exception {
        //字面常量获取方式获取Class对象
        Class initable = Initable.class;
        System.out.println("After creating Initable ref");
        //不触发类初始化
        System.out.println(Initable.staticFinal);
        //会触发类初始化
        System.out.println(Initable.staticFinal2);
        //会触发类初始化
        System.out.println(Initable2.staticNonFinal);
        //forName方法获取Class对象
        Class initable3 = Class.forName("Initable3");
        System.out.println("After creating Initable3 ref");
        System.out.println(Initable3.staticNonFinal);
      }
    }

执行结果：

After creating Initable ref
    47
    Initializing Initable
    258
    Initializing Initable2
    147
    Initializing Initable3
    After creating Initable3 ref
    74

从输出结果来看，可以发现，通过字面常量获取方式获取Initable类的Class对象并没有触发Initable类的初始化，这点也验证了前面的分析，同时发现调用Initable.staticFinal变量时也没有触发初始化，这是因为staticFinal属于编译期静态常量，在编译阶段通过常量传播优化的方式将Initable类的常量staticFinal存储到了一个称为NotInitialization类的常量池中，在以后对Initable类常量staticFinal的引用实际都转化为对NotInitialization类对自身常量池的引用，所以在编译期后，对编译期常量的引用都将在NotInitialization类的常量池获取，这也就是引用编译期静态常量不会触发Initable类初始化的重要原因。但在之后调用了Initable.staticFinal2变量后就触发了Initable类的初始化，注意staticFinal2虽然被static和final修饰，但其值在编译期并不能确定，因此staticFinal2并不是编译期常量，使用该变量必须先初始化Initable类。Initable2和Initable3类中都是静态成员变量并非编译期常量，引用都会触发初始化。至于forName方法获取Class对象，肯定会触发初始化，这点在前面已分析过。到这几种获取Class对象的方式也都分析完，ok~,到此这里可以得出小结论：

*  获取Class对象引用的方式3种，通过继承自Object类的getClass方法，Class类的静态方法forName以及字面常量的方式”.class”。
 *  其中实例类的getClass方法和Class类的静态方法forName都将会触发类的初始化阶段，而字面常量获取Class对象的方式则不会触发初始化。
 *  初始化是类加载的最后一个阶段，也就是说完成这个阶段后类也就加载到内存中(Class对象在加载阶段已被创建)，此时可以对类进行各种必要的操作了（如new对象，调用静态成员等），注意在这个阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码或者字节码。

2.3关于类加载的初始化阶段，在虚拟机规范严格规定了有且只有5种场景必须对类进行初始化：

*  使用new关键字实例化对象时、读取或者设置一个类的静态字段(不包含编译期常量)以及调用静态方法的时候，必须触发类加载的初始化过程(类加载过程最终阶段)；
 *  使用反射包(java.lang.reflect)的方法对类进行反射调用时，如果类还没有被初始化，则需先进行初始化，这点对反射很重要；
 *  当初始化一个类的时候，如果其父类还没进行初始化则需先触发其父类的初始化。
 *  当Java虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类(包含main方法的类)，虚拟机会先初始化这个主类；
 *  当使用JDK 1.7 的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后解析结果为REF\_getStatic、REF\_putStatic、REF\_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄对应类没有初始化时，必须触发其初始化(这是1.7的新增的动态语言支持，其关键特征是它的类型检查的主体过程是在运行期而不是编译期进行的)

**理解泛化的Class对象引用**

由于Class的引用总数指向某个类的Class对象，利用Class对象可以创建实例类，这也就足以说明Class对象的引用指向的对象确切的类型。在Java SE5引入泛型后，我们可以利用泛型来表示Class对象更具体的类型，即使在运行期间会被擦除，但编译期足以确保我们使用正确的对象类型。如下：

public class ClazzDemo {
    
        public static void main(String[] args){
            //没有泛型
            Class intClass = int.class;
    
            //带泛型的Class对象
            Class<Integer> integerClass = int.class;
    
            integerClass = Integer.class;
    
            //没有泛型的约束,可以随意赋值
            intClass= double.class;
    
            //编译期错误,无法编译通过
            //integerClass = double.class
        }
    }

从代码可以看出，声明普通的Class对象，在编译器并不会检查Class对象的确切类型是否符合要求，如果存在错误只有在运行时才得以暴露出来。但是通过泛型声明指明类型的Class对象，编译器在编译期将对带泛型的类进行额外的类型检查，确保在编译期就能保证类型的正确性，实际上Integer.class就是一个Class<Integer>类的对象。

面对下述语句，确实可能令人困惑，但该语句确实是无法编译通过的：

//编译无法通过
    Class<Number> numberClass=Integer.class;

我们或许会想Integer不就是Number的子类吗？然而事实并非这般简单，毕竟Integer的Class对象并非Number的Class对象的子类，前面提到过，所有的Class对象都只来源于Class类，看来事实确实如此。**当然我们可以利用通配符“?”来解决问题**：

Class<?> intClass = int.class;
    intClass = double.class;

这样的语句并没有什么问题，毕竟通配符指明所有类型都适用，那么为什么不直接使用Class还要使用Class<?>呢？这样做的好处是告诉编译器，我们是确实是采用任意类型的泛型，而非忘记使用泛型约束，至少前者在编译器检查时不会产生警告信息。当然**我们还可以使用extends关键字告诉编译器接收某个类型的子类**，如解决前面Number与Integer的问题：

//编译通过！
    Class<? extends Number> clazz = Integer.class;
    //赋予其他类型
    clazz = double.class;
    clazz = Number.class;

实际上，应该时刻记住向Class引用添加泛型约束仅仅是为了提供编译期类型的检查从而避免将错误延续到运行时期。

**关于类型转换**

在许多需要强制类型转换的场景，我们更多的做法是直接强制转换类型：

public class ClassCast {
    
     public void cast(){
    
         Animal animal= new Dog();
         //强制转换
         Dog dog = (Dog) animal;
     }
    }
    
    interface Animal{ }
    
    class Dog implements  Animal{ }

之所可以强制转换，这得归功于RRTI，要知道在Java中，所有类型转换都是在运行时进行正确性检查的，利用RRTI进行判断类型是否正确从而确保强制转换的完成，如果类型转换失败，将会抛出类型转换异常。除了强制转换外，在Java SE5中新增一种使用Class对象进行类型转换的方式，如下：

Animal animal= new Dog();
    //这两句等同于Dog dog = (Dog) animal;
    Class<Dog> dogType = Dog.class;
    Dog dog = dogType.cast(animal)

利用Class对象的cast方法，其参数接收一个参数对象并将其转换为Class引用的类型。这种方式似乎比之前的强制转换更麻烦些，确实如此，而且当类型不能正确转换时，仍然会抛出ClassCastException异常。

**1、instanceof 关键字与isInstance方法**

在强制转换前利用instanceof、isInstance方法检测obj是不是某个类型的实例对象，可以避免抛出类型转换的异常(ClassCastException)。

*  instanceof 关键字，返回boolean值，检查左边对象是不是右边类或接口的实例化，如果被测对象是null值，则测试结果总是false；
 *  isInstance方法，则是Class类中的一个Native方法，检查参数是否是调用这个方法的类或接口的实例，如果是则返回true，如果被检测的对象是null或者基本类型，那么返回值是false；

看个简单例子：

public void cast2(Object obj){
            //instanceof关键字
            if(obj instanceof Animal){
                Animal animal= (Animal) obj;
            }
    
            //isInstance方法
            if(Animal.class.isInstance(obj)){
                Animal animal= (Animal) obj;
            }
      }

事实上instanceOf 与isInstance方法产生的结果是相同的。最后给出一个简单实例，验证isInstance方法与instanceof等价性：

class A {}
    
    class B extends A {}
    
    public class C {
      static void test(Object x) {
        print("Testing x of type " + x.getClass());
        print("x instanceof A " + (x instanceof A));
        print("x instanceof B "+ (x instanceof B));
        print("A.isInstance(x) "+ A.class.isInstance(x));
        print("B.isInstance(x) " +
          B.class.isInstance(x));
        print("x.getClass() == A.class " +
          (x.getClass() == A.class));
        print("x.getClass() == B.class " +
          (x.getClass() == B.class));
        print("x.getClass().equals(A.class)) "+
          (x.getClass().equals(A.class)));
        print("x.getClass().equals(B.class)) " +
          (x.getClass().equals(B.class)));
      }
      public static void main(String[] args) {
        test(new A());
        test(new B());
      } 
    }
    s/70768369 
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执行结果：

Testing x of type class com.zejian.A
    x instanceof A true
    x instanceof B false //父类不一定是子类的某个类型
    A.isInstance(x) true
    B.isInstance(x) false
    x.getClass() == A.class true
    x.getClass() == B.class false
    x.getClass().equals(A.class)) true
    x.getClass().equals(B.class)) false
    ---------------------------------------------
    Testing x of type class com.zejian.B
    x instanceof A true
    x instanceof B true
    A.isInstance(x) true
    B.isInstance(x) true
    x.getClass() == A.class false
    x.getClass() == B.class true
    x.getClass().equals(A.class)) false
    x.getClass().equals(B.class)) true

2、父类转子类：

有两个问题：

1.  子类对象可以转化为父类对象吗？
2.  父类对象可以转化为子类对象吗？

1）第一个问题应该都不陌生，也没什么好探讨的，肯定可以，因为在多态中经常用到。例如：

class  Father\{\}

calss Son extends  publc  Father\{    \}

Father  f  =   new  Son();  //父类引用指向子类对象

其中，new  Son()表示在在堆中分配了一段空间来存放类Son中的数据，并返回一个Son的对象，并赋值给Father的引用f，即f指向子类的对象，此时，子类的对象并没有定义一个名字。定价于：

Son  s  =   new  Son();

Father  f  =  s;

2）第二个问题：一般情况下，父类对象是不可以强制转化为子类对象的，因为，子类除了从父类继承一些东西外，它还增加了一些自己的东西，也就是说，子类对象一般都比父类对象包含更多的东西。这样的话，子类如果访问子类新增的内容，而这些内容父类并没有，所以就会报错。

但是，如果前提是：此父类对象已经指向了此子类对象，就可以转换。

Father  f  =   new  Son();  //父类引用指向子类对象

Son   s2  =  (Son)f;  //可以

因为，子类强制转换为父类对象时，并没有实际丢失它原有内存空间（比父类多的那些部分）只是暂时不可访问，所以能再转回来。一般在前面加一条判断语句 if(father instanceof Son)；防止报ClassCastExcept异常。

Father  f  =   new  Son();  //父类引用指向子类对象

if(father instanceof Son)\{

Son   s2  =  (Son)f;

参考：[https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/70768369][https_blog.csdn.net_javazejian_article_details_70768369]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20210511/e9773682ce6a4a2f9cc2729984ba5747.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20210511/9c12eb79f5344af28f3875167ca2a309.png
[https_blog.csdn.net_javazejian_article_details_70768369]: https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/70768369