举例讲解Java的RTTI运行时类型识别机制

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

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