【数据结构】(12) 反射、枚举、lambda 表达式

一、反射

1、反射机制定义及作用

        反射是允许程序在运行时检查和操作类、方法、属性等的机制，能够动态地获取信息、调用方法等。换句话说，在编写程序时，不需要知道要操作的类的具体信息，而是在程序运行时获取和使用。

2、反射机制的原理

        程序运行时，JVM会将编译好的 .class 文件（代表一个类）解析为 java.lang.Class 类的实例，这个实例包含了该类的所有信息。通过反射机制，可以用到这个实例，来获取该类的信息并进行操作。

        下面介绍反射的相关类。以 Student 类为例子：

public class Student {
    //私有属性name
    private String name = "小帅";
    //公有属性age
    public int age = 18;
    //不带参数的构造方法
    public Student(){
        System.out.println("Student()");
    }

    private Student(String name,int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        System.out.println("Student(String,name)");
    }

    private void eat(){
        System.out.println("i am eat");
    }

    public void sleep(){
        System.out.println("i am pig");
    }

    private void function(String str) {
        System.out.println(str);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

        Class 在 java.lang 中，不需要导包。其它三个都在 java.lang.reflect 中。

3、Class 类

        代表类的实体。

        获取 JVM 给类解析的 Class 对象：

        其它方法：

4、Field 类

        代表类的属性。

• getField(String name)：获得指定公有属性对象。
• getField()：获得所有公有属性对象。
• getDeclaredField(String name)：获得某个属性对象。（不限于公有）
• getDeclaredField()：获得所有属性对象。

        属性对象.get(对象) 表示获取指定对象的某属性，静态属性不需对象，参数填 null。

5、Method 类

        代表类的方法。

6、Constructor 类

        代表类的构造方法。

        利用构造方法对象获得类的实例：

‘

7、使用反射动态加载类并创建对象

        编写一个程序，在运行时根据用户输入的类名来动态加载类并创建对象，调用其 draw 方法。

import java.util.Scanner;

// 定义一个 Shape 接口
interface Shape {
    void draw();
}

// 定义 Circle 类实现 Shape 接口
class Circle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制一个圆形");
    }
}

// 定义 Rectangle 类实现 Shape 接口
class Rectangle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制一个矩形");
    }
}

public class DynamicClassLoadingExample {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入要加载的类名（如 Circle 或 Rectangle）：");
        String className = scanner.nextLine();

        try {
            // 根据用户输入的类名获取 Class 对象
            Class<?> clazz = Class.forName(className);
            // 创建该类的实例
            Shape shape = (Shape) clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
            // 调用 draw 方法
            shape.draw();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        scanner.close();
    }
}

反射优点：让程序更灵活，动态加载类和方法、可以访问和修改私有成员。

反射缺点：性能开销大、破坏封装性和安全性、程序不易读。

二、枚举

1、定义及作用

        一组常量，比如颜色，它们是同一类，我们想把这组常量组织在一起，就用枚举。作用是与没有意义的数字区分开来（如果定义一组常量，就要用数字表示它们）。例子：

public enum Color {
    RED, GREEN, BLUE;
    public static void main(String[] args) {
        Color color = Color.BLUE;
        switch (color) {
            case RED:
                System.out.println("RED");
                break;
            case GREEN:
                System.out.println("GREEN");
                break;
            case BLUE:
                System.out.println("BLUE");
                break;
            default:
                System.out.println("default");
                break;
        }
    }
}

        枚举类默认继承了 java.lang.Enum。枚举常量的默认是 public static final 修饰。

2、常用方法

        枚举类型能够使用这些方法，是因为默认继承了 Enum 类:

        但是可以发现，Enum 类中没有 values 方法。这是因为自定义枚举类型中枚举常量的数量、类型都是不确定的，如果 values 封装在 Enum 类中，就需要在运行时动态确定每个枚举常量（需要用到反射，破坏了封装性、增强了复杂性等）。实际上，编译器编译时会为每个枚举类型自动加上 values 方法，返回的数组在编译时就确定。

3、构造方法

        枚举相当于是类，可以有属性、构造方法、方法。构造方法默认私有，且只能。这样保证了枚举实例的唯一性。

 查看构造函数的实际参数有哪些：

        多了 String 和 int 类型参数，因为枚举类默认继承了 Enum，其本身有 name 和 ordinal 属性，隐藏了 super(name, ordinal) ，所以 Color 构造函数会多 2 个参数。

4、枚举和反射

        通过反射获取枚举类的实例：

         出现错误：

       查看 newInstance 源码：

        因此，不能通过反射创建枚举类的实例。这样设计的目的是让枚举类只有一个实例，防止反射攻击。由私有构造函数、防反射攻击这两个特点得知，枚举实现单例模式（一种创建型模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例）是安全的。

枚举优点：简单安全。

枚举缺点：不能继承。

5、枚举实现单例模式

        后续学了单例模式补充。

三、Lambda 表达式

1、定义及作用

        相当于方法，但是比方法更简化。语法：

(形参列表)->表达式

(形参列表)->{代码块}

// 参数类型可以省略（要省全都省），只有一个参数可以省略圆括号。

// 返回一个值或者不返回值

// 只有一条 return 语句，可省略 return

2、函数式接口

• 函数式接口：一个接口只有一个抽象方法。
• @FunctionalInterface 注解：以函数式接口的标准（只有一个抽象方法）要求接口，检查作用。
• lambda 可简化匿名内部，实现函数式接口。

        几个函数式接口代码：

//无返回值无参数
@FunctionalInterface
interface NoParameterNoReturn {
    void test();
}

        使用匿名内部类实现接口，重写方法：

        使用 lambda 实现接口，重写方法：

NoParameterNoReturn noParameterNoReturn = ()->{System.out.println("hello");};

3、变量捕获

        匿名内部类中可捕获外部变量。如果想修改捕获的变量，那该变量必须被 final 修饰，否则报错。lambda 表达式同理。

        int a = 10;
        PriorityQueue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>(new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
//                a = 99;  不允许修改未被 final 修饰的外部变量
                System.out.println(a); // 变量 a 捕获
                return o1.compareTo(o2);
            }
        });

4、Lambda 在集合中的应用

        lambda 表达式作为以上方法的参数，实现接口中的方法。 

4.1、Collection 接口

        以 forEach 为例：

        源码如下：Consumer 是函数式接口，accept 是实现的抽象方法。

        实现函数式接口：

4.2、List 接口

        以 sort 为例：

        源码：

        在 Java 中，所有类都直接或间接地继承自 Object 类，因此，Comparator 接口继承了 Object 类的 equals 方法。它不是 Comparator 接口自身定义的抽象方法，因此，不违反函数式接口的定义规则。

    @FunctionalInterface
    public interface Comparator<T> {
        int compare(T o1, T o2);

        boolean equals(Object obj); // 继承自 Object，不影响函数式接口
        
        ......
    }

        实现：

4.3、Map 接口

        以 forEach 为例：

        源码：

        实现：

5、总结：

优点：语句简洁、方便函数式编程（替换匿名内部类）、改善集合操作。

缺点：可读性差、不易调试。