『Thinking in Java 读书笔记』—— 14-类型信息

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Thinking in java 读书笔记

运行时类型信息使得你可以在程序运行时发现和使用类型信息。

Java 通过两种方式在运行时识别对象和类信息的,一种是 传统的RTTI,(RunTime Type Identification 运行时类型定义),假定我们在编译时已经知道了所有的类型。第二种是 反射机制,它允许在运行时发现和使用类信息。

为什么需要 RTTI

啥叫多态,父类方法在子类可能会被覆盖,但是由于方法是动态绑定的,所以即使是通过泛化的父类引用来调用方法,也是可以产生正确的行为,这就是多态。

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// 父类  
abstract class Shape {
void draw() {
System.out.println(this + ".draw()");
}


abstract public String toString();
}
// 子类
class Circle extends Shape {
public String toString() {
return "Circle";
}
}
//子类
class Square extends Shape {
public String toString() {
return "Square";
}
}
//子类
class Triangle extends Shape {
public String toString() {
return "Triangle";
}
}
// 利用父类引用调用子类方法的荔枝
public class Shapes {
public static void main(String[] args) {
// 把 Shape子类数组转换为 泛型为Shape的List容器
List<Shape> shapeList = Arrays.asList(new Circle(), new Square(), new Triangle());
for (Shape shape : shapeList)
shape.draw();

System.out.println();
for (Shape shape : shapeList)
System.out.println("does " + shape.getClass().getName() + " belong to Circle = " + rotate(shape));
}

static boolean rotate(Shape s) {
if(s instanceof Circle) {
return true;
} else {
return false;
}
}
}
/*
Circle.draw()
Square.draw()
Triangle.draw()


does chapter14.Circle belong to Circle = true
does chapter14.Square belong to Circle = false
does chapter14.Triangle belong to Circle = false
*/

RTTI的基本形式,当从数组中取出元素时, RTTI 会将 Object 转换成 Shape 类型, RTTI 类型转换并不彻底,因为把所有的 Object 转换成 Shape 父类,而不是转换到 CircleSquareTriangle

Class 对象

  • 类型信息在运行时是如何表示的:这项工作是由 Class 对象的特殊对象完成的。
  • Class 对象的作用:用来创建类的所有常规对象和保存对象在运行时的类型信息。
  • Java 使用 Class 对象来实现 RTTI,即类型转换。
  • 每个类都有一个 Class 对象:每当编写并且编译一个新类,就会产生一个 Class 对象。
  • 所有的类都是在第一次使用时,动态加载到 jvm 中的:当程序创建第一个对类的静态成员的引用时,就会加载这个类。
  • Java 程序在它运行之前并非被完全加载,其各个部分是在必需时才加载。
  • 类加载器加载 Class 对象:类加载器首先检查这个类的 Class 对象是否已经被加载。如果没有加载,则默认的类加载器会根据类名查找 .class 文件。
  • 一旦某个类的 Class 对象被载入内存,他就被用来创建这个类的所有对象。
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class Name {
static {
System.out.println("name is loading");
}
}
class Sex {
static {
System.out.println("sex is loading");
}
}
class Age {
public static String desc = "desc";
static {
System.out.println("age is loading");
}
Age() {
System.out.println("age construct");
}
}

public class ClassTest {
public static void main(String[] args) {
new Name();
try {
if (Boolean.TYPE == boolean.class) {
System.out.println(true);
}
Class.forName("chapter14.Sex");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
new Age();
}
}
// output:
/**
name is loading
true
sex is loading
age is loading
age construct
*/

Class 仅在需要的时候才被加载, static 初始化是在类加载时就被加载。

Class.forname() 取得 Class 对象引用的方法。

Class 方法列表

方法名 介绍
getName() Class 类型信息所存储的全限定类名
isInterface() 是否是接口
getSimpleName() Class 类型信息存储的类名(不包含包名的类名)
getCanonicalName() Class 类型信息所有存储的全限定类名
getInterfaces() 返回接口数组
getSuperClass() 返回直接基类
newInstance() 创建 class 运行时类型信息对象对应的实例

类字面常量

使用类字面常量生成对Class对象的引用: 如 FancyToy.class;这种做法不仅简单而且安全,因为它在编译时就会受到检查(不需要放在 try 块中),并且根除了对 forName()的调用,所以高效。

类字面常量应用范围于 普通类,接口,数组,基本数据类型和包装器类, 以及一个标准字段TYPE等。TYPE字段:是一个引用,指向对应的基本数据类型的 Class对象。

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

推荐使用 .class 的形式,以保持与普通类的一致性

当使用 .class 来创建Class对象的引用时,不会自动初始化该 Class 对象。

为使用类而做的准备工作包含3个步骤。

  1. 加载。这是由类加载器执行的。该步骤将查找字节码,并从这些字节码中创建一个 Class 对象。
  2. 链接。验证类的字节码,为静态区域分配空间,如果需要的话,解析这个类创建的其他类的所有引用。
  3. 初始化。如果该类有超类,对超类初始化,执行静态初始化器 和 静态初始化代码块
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class Initable {  
static final int staticFinal = 47; // 编译期常量
// staticFinal2 是运行时常量,因为它需要调用其他类的方法进行赋值.
static final int staticFinal2 = ClassInitialization.rand.nextInt(1000);
static { System.out.println("Initializing Initable"); }
}


class Initable2 {
static int staticNonFinal = 147; // 非编译期常量
static { System.out.println("Initializing Initable2"); }
}
class Initable3 {
static int staticNonFinal = 74; // 非编译期常量
static {
System.out.println("Initializing Initable3");
System.out.println("staticNonFinal = " + staticNonFinal);
}
}
public class ClassInitialization {
public static Random rand = new Random(47);


public static void main(String[] args) throws Exception {
Class initable = Initable.class; // Initable.class 不会触发初始化
// 不会触发类初始化(调用常量)
System.out.println("Initable.staticFinal = " + Initable.staticFinal + "\n");
// 会触发初始化(调用常量, 但常量是有其他静态方法进行赋值的)
System.out.println("Initable.staticFinal2 = " + Initable.staticFinal2 + "\n");
// 会触发初始化(调用非final static 变量,非常数静态域)
System.out.println("Initable2.staticNonFinal = " + Initable2.staticNonFinal+"\n");

System.out.println("======");
Class initable3 = Class.forName("chapter14.Initable3"); // Class.forName() 触发类初始化
System.out.println("\nAfter creating Initable3 ref");
System.out.println("Initable3.staticNonFinal = " + Initable3.staticNonFinal); // 已经触发了Initable3初始化,不会再次触发了(仅初始化一次)
}
}
/*
Initable.staticFinal = 47


Initializing Initable
Initable.staticFinal2 = 258


Initializing Initable2
Initable2.staticNonFinal = 147


======
Initializing Initable3
staticNonFinal = 74


After creating Initable3 ref
Initable3.staticNonFinal = 74
*/

class 对象的 cast() 方法

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class Father { }
class Child extends Father { }
class Apple { }


// 荔枝-class对象的cast()方法,类型转换(特别是父类转子类的荔枝)
public class ClassCasts {
public static void main(String[] args) {
Father father = new Child();
Class<Child> childType = Child.class;


// classObj.cast(otherObj) 将 otherObj 转换为 classObj 对应的对象引用(父类对象引用转换为 子类对象引用)
Child child = childType.cast(father); //
System.out.println(child.getClass().getName()); // chapter14.Child

child = (Child)father; // 也是将 Father 对象转换为 Child 对象(同样的效果)

// 自定义测试
// child = childType.cast(new Apple()); // 编译期不报错,运行时报错
}
}
// chapter14.Child

类型转换前先检查

  1. 传统的类型转换: 由RTTI 确保类型转换的正确性,若有错误抛出 ClassCastException 异常(类型转换异常);

  2. 封装对象的运行时类型信息的Class对象: 通过查询 Class 对象可以获取运行时类型信息;

  3. RTTI还有第3中方式:关键字 instanceof;它返回一个 boolean值,表示对象是否属于某种类型;

    如果程序中出现了过多的 instanceof,说明程序设计存在瑕疵。

注册工厂

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class Part {  
public String toString() {
return getClass().getSimpleName();
}
static List<Factory<? extends Part>> partFactories = new ArrayList<Factory<? extends Part>>();
static {
// Collections.addAll() gives an "unchecked generic
// array creation ... for varargs parameter" warning.
partFactories.add(new FuelFilter.Factory());
partFactories.add(new AirFilter.Factory());
partFactories.add(new CabinAirFilter.Factory());
partFactories.add(new OilFilter.Factory());
partFactories.add(new FanBelt.Factory());
partFactories.add(new PowerSteeringBelt.Factory());
partFactories.add(new GeneratorBelt.Factory());
}
private static Random rand = new Random(47);
public static Part createRandom() {
int n = rand.nextInt(partFactories.size()); // partFactories.size() = 7
return partFactories.get(n).create();
}
}


class Filter extends Part {}


class FuelFilter extends Filter {
// Create a Class Factory for each specific type:
public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<FuelFilter> { // 静态内部类作为工厂方法类
public FuelFilter create() { return new FuelFilter(); }
}
}


class AirFilter extends Filter {
public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<AirFilter> {// 静态内部类作为工厂方法类
public AirFilter create() { return new AirFilter(); }
}
}


class CabinAirFilter extends Filter {
public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<CabinAirFilter> {// 静态内部类作为工厂方法类
public CabinAirFilter create() { return new CabinAirFilter(); }
}
}


class OilFilter extends Filter {
public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<OilFilter> {// 静态内部类作为工厂方法类
public OilFilter create() { return new OilFilter(); }
}
}


class Belt extends Part {}


class FanBelt extends Belt {
public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<FanBelt> {// 静态内部类作为工厂方法类
public FanBelt create() { return new FanBelt(); }
}
}


class GeneratorBelt extends Belt {
public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<GeneratorBelt> {// 静态内部类作为工厂方法类
public GeneratorBelt create() {
return new GeneratorBelt();
}
}
}


class PowerSteeringBelt extends Belt {
public static class Factory implements typeinfo.factory.Factory<PowerSteeringBelt> {// 静态内部类作为工厂方法类
public PowerSteeringBelt create() {
return new PowerSteeringBelt();
}
}
}


public class RegisteredFactories {
public static void main(String[] args) {
for(int i = 0; i < 10; i++)
System.out.println(Part.createRandom());
}
}
/*
GeneratorBelt
CabinAirFilter
GeneratorBelt
AirFilter
PowerSteeringBelt
CabinAirFilter
FuelFilter
PowerSteeringBelt
PowerSteeringBelt
FuelFilter
*/

Instanceof 与 Class 的等价性

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class Base {}  
class Derived extends Base {}
// 荔枝-instanceof 与 直接比较Class对象的区别
public class FamilyVsExactType {
static void test(Object x) {
print("class Derived extends Base {}");
print("x.getClass() " + x.getClass());
print("(x instanceof Base) " + (x instanceof Base));
print("(x instanceof Derived) "+ (x instanceof Derived));
print("Base.class.isInstance(x) "+ Base.class.isInstance(x));
print("Derived.class.isInstance(x) " + Derived.class.isInstance(x));
print("(x.getClass() == Base.class) " + (x.getClass() == Base.class));
print("(x.getClass() == Derived.class) " + (x.getClass() == Derived.class));
print("(x.getClass().equals(Base.class)) "+ (x.getClass().equals(Base.class)));
print("(x.getClass().equals(Derived.class)) " + (x.getClass().equals(Derived.class)));
}
public static void main(String[] args) {
test(new Base());
System.out.println("===============================");
test(new Derived());
}
}
/*
============ Base 父类===================
class Derived extends Base {}
x.getClass() class typeinfo.Base
(x instanceof Base) true
(x instanceof Derived) false
Base.class.isInstance(x) true
Derived.class.isInstance(x) false
(x.getClass() == Base.class) true
(x.getClass() == Derived.class) false
(x.getClass().equals(Base.class)) true
(x.getClass().equals(Derived.class)) false
============ Derived 子类===================
class Derived extends Base {}
x.getClass() class typeinfo.Derived
(x instanceof Base) true // 子类是父类的实例
(x instanceof Derived) true
Base.class.isInstance(x) true // 子类是父类的实例
Derived.class.isInstance(x) true
(x.getClass() == Base.class) false
(x.getClass() == Derived.class) true
(x.getClass().equals(Base.class)) false
(x.getClass().equals(Derived.class)) true
*/
  1. instanceof 和 isInstance() 方法返回的结果完全一样,equals 和 == 的返回结果也一样
  2. instanceof 和 isInstance() 保持了类型的概念,它表达的是“你是这个类吗?你是这个类的派生类吗?”
  3. 而 ==比较了实际的 Class对象,就没有考虑继承,它或者是这个这个确切类型,或者不是

反射:运行时类信息

  • 如何在运行时识别对象类型:RTTI可以告诉你对象的确切类型:前提条件,这个类在编译时类型必须被编译器知晓,这样RTTI才可以识别。
  • 存在这样一种情况:在编译完成后再手动利用一串字节创建这个类的对象,即在运行时利用字节流创建对象,而不是在编译时这个对象的类型就已经知道了,如反序列化 或 远程方法调用(RMI);这种情况下,如何知道运行时对象的确切类型呢?
  • 想要获取运行时对象的类型信息的另一个动机:希望提供在跨网络的远程平台上创建和运行对象,这就是远程方法调用 RMI,RMI 允许一个java程序将对象分布到多台服务器上;
  • 反射机制能够解决这个问题:即反射能够识别在运行时手动利用字节流创建的对象类型信息,即便编译器无法知道这个对象的创建;
  • Class类 与 java.lang.reflect 类库一起对反射提供支持;
    • 该类库包括的类:Field、Method、Constructor(都继承自Member接口);这些类型的对象是 jvm 在运行时创建的,用来表示未知类里的成员;
    • 如何使用这些类和方法呢?使用Constructor 创建新对象,用 get 和 set方法 读取和修改 与 Field对象相关联的字段,用invoke() 调用与 Method对相关联的方法;还有 getFields(), getMethods(), getConstuctors() 分别返回字段,方法,构造器对象数组;
  • 当通过反射与一个未知类型的对象打交道时: 在使用该对象前,必须先加载该对象所属类型的Class对象;
  • 因此,那个未知对象所属类的 .class 文件对于jvm来说是必须要获取的: 要么通过本地,要么通过网络;
  • 反射与 RTTI的区别在于: 对于RTTI来说, 编译器在编译时打开和检查 .class 文件;而对于反射机制来说, .class文件在编译时是不可获取的,所以在运行时打开和检查 .class 文件;

动态代理

代理是基本的设计模式之一,代理用来代替实际对象的对象,代理充当着中间人的角色。

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class ProxyTest {

private static void consumer(Interface anInterface) {
anInterface.doSomeThing();
anInterface.doSomeThingElse("biu~");
}

public static void main(String[] args) {
consumer(new RealObject());
System.out.println();
System.out.println();
consumer(new ProxyObject(new RealObject()));
}
}

interface Interface {
void doSomeThing();
void doSomeThingElse(String args);
}

class RealObject implements Interface {

@Override
public void doSomeThing() {
System.out.println("doSomeThing");
}

@Override
public void doSomeThingElse(String args) {
System.out.println("doSomeThingElse:" + args);
}
}

class ProxyObject implements Interface {

private Interface anInterface;

ProxyObject(Interface anInterface) {
this.anInterface = anInterface;
}

@Override
public void doSomeThing() {
System.out.println("ProxyObject doSomeThing");
anInterface.doSomeThing();
}

@Override
public void doSomeThingElse(String args) {
System.out.println("ProxyObject doSomeThingElse:" + args);
anInterface.doSomeThingElse(args);
}
}

代理的目的在于,任何时刻,只要你想要将额外的操作从实际对象中分离到不同地方,特别是当你希望能够做出修改时,从没有使用额外操作转为使用这些操作,或者反过来,代理就特别有用。

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class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {

private Object proxied;
DynamicProxyHandler(Object proxied) {
this.proxied = proxied;
}

@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws InvocationTargetException, IllegalAccessException {
System.out.println("DynamicProxy " + method.getName());
return method.invoke(proxied, args);
}
}

// output:
/**
doSomeThing
doSomeThingElse:biu~


ProxyObject doSomeThing
doSomeThing
ProxyObject doSomeThingElse:biu~
doSomeThingElse:biu~


DynamicProxy doSomeThing
doSomeThing
DynamicProxy doSomeThingElse
doSomeThingElse:biu~
*/

接口与类型的信息

  • Interface 接口的重要目的:允许程序员隔离构件,进而降低耦合性。
  • 接口并非对解耦提供了百分百的保障,因为通过类型信息,耦合性还是会传播回去。

通过反射可以访问私有方法

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public class HiddenImplementation {  
public static void main(String[] args) throws Exception {
A a = HiddenC.makeA();

a.f();
System.out.println("a.getClass().getName() = " + a.getClass().getName());
/* 这里编译报错: 找不到类表示C2 (如果C2 与 HiddenImplementation 不在同一个包下)
* if(a instanceof C) { C c = (C)a; c.g(); }
*/

// 通过反射可以访问 私有方法,受保护或包可见性方法。
callHiddenMethod(a, "g");
// And even methods that are less accessible!
callHiddenMethod(a, "u");
callHiddenMethod(a, "v");
callHiddenMethod(a, "w");
}


static void callHiddenMethod(Object a, String methodName) throws Exception {
Method g = a.getClass().getDeclaredMethod(methodName); // 获取对象a的方法对象
g.setAccessible(true); // 设置访问权限为可访问
g.invoke(a); // 触发调用 对象a 的 g() 方法
}
}
/*
public C.f()
a.getClass().getName() = chapter14.C2
public C.g()
package C.u()
protected C.v()
private C.w()
*/


// C2默认为包可见性
class C2 implements A {
@Override
public void f() {
print("public C.f()");
}


public void g() {
print("public C.g()");
}


void u() {
print("package C.u()");
}


protected void v() {
print("protected C.v()");
}


private void w() {
print("private C.w()");
}
}
public class HiddenC {
public static A makeA() {
return new C2();
}
}
  • 通过使用反射,仍旧可以调用所有方法,包括private方法!如果知道方法名,就可以在其Method方法对象上调用 setAccessible(true);
  • 有些人可能认为,通过只发布编译后的代码来阻止这种情况(如外部程序调用private方法),但并不能解决问题。因为执行 javap 反编译器可以突破这个限制

通过反射访问私有内部

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class AnonymousTest {
static A makeA() {
return new A() {
@Override
public void a() {
System.out.println("aaaa");
}

@Override
public void b() {
System.out.println("bbbb");
}

@Override
public void c() {
System.out.println("cccc");
}

@Override
public void d() {
System.out.println("dddd");
}
};
}

private static void callHideMethod(String className, String methodName) {
try {
Class<?> aClass = Class.forName(className);
Method method = aClass.getMethod(methodName);
Object instance = aClass.newInstance();
method.invoke(instance);
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (NoSuchMethodException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
}
}

public static void main(String[] args) {
A a = AnonymousTest.makeA();
a.a();
System.out.println();
String name = a.getClass().getName();
callHideMethod(name, "b");
callHideMethod(name, "c");
callHideMethod(name, "d");
}
}

interface A {
void a();
void b();
void c();
void d();
}

通过反射修改私有变量

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class WithPrivateFinalField {  
private int i = 1;
private final String s = "I'm totally safe"; // 常量字符串
private String s2 = "Am I safe?";


public String toString() {
return "private int i = " + i + ", private final String s = " + s + ", private String s2 = " + s2;
}
}
// 荔枝-通过反射访问和修改私有变量,私有常量的荔枝
public class ModifyingPrivateFields {
public static void main(String[] args) throws Exception {
WithPrivateFinalField pf = new WithPrivateFinalField();

System.out.println(pf + "\n");
// 通过反射访问私有变量i
Field f = pf.getClass().getDeclaredField("i");
f.setAccessible(true); // 设置字段 i 的可访问权限为true
System.out.println("Field f = pf.getClass().getDeclaredField(\"i\"); f.setAccessible(true); f.getInt(pf) = " + f.getInt(pf));


// 通过反射更改私有变量i
f.setInt(pf, 47);
System.out.println("f.setInt(pf, 47); f.get(pf) = " + f.get(pf));

// 通过反射访问私有常量s
f = pf.getClass().getDeclaredField("s");
f.setAccessible(true); // 设置字段 s 的可访问权限为true
System.out.println("f = pf.getClass().getDeclaredField(\"s\"); f.setAccessible(true); f.get(pf) 静态常量修改前 = " + f.get(pf));

// 但通过反射甚至可以修改私有常量(final) s
f.set(pf, "No, you're not!");
System.out.println("f.set(pf, \"No, you're not!\");, f.get(pf) 静态常量修改后 = " + f.get(pf));

// 通过反射访问私有变量s2
f = pf.getClass().getDeclaredField("s2");
f.setAccessible(true);
System.out.println("f = pf.getClass().getDeclaredField(\"s2\"); f.setAccessible(true); f.get(pf) = " + f.get(pf));

// 通过反射修改私有变量s2
f.set(pf, "No, you're not!");
System.out.println("f.set(pf, \"No, you're not!\"); f.get(pf) = " + f.get(pf));

}
}
/*
private int i = 1, private final String s = I'm totally safe, private String s2 = Am I safe?


Field f = pf.getClass().getDeclaredField("i"); f.setAccessible(true); f.getInt(pf) = 1 // 通过反射机制【访问】私有变量
f.setInt(pf, 47); f.get(pf) = 47 // 通过反射机制 【修改】 私有变量
f = pf.getClass().getDeclaredField("s"); f.setAccessible(true); f.get(pf) = I'm totally safe // 通过反射机制【访问】私有常量
f.set(pf, "No, you're not!");, f.get(pf) = No, you're not! // 通过反射机制【修改】私有常量【(这个牛逼了)】
f = pf.getClass().getDeclaredField("s2"); f.setAccessible(true); f.get(pf) = Am I safe? // 通过反射机制【访问】私有变量
f.set(pf, "No, you're not!"); f.get(pf) = No, you're not! // 通过反射机制【修改】私有变量
*/

总结

面向对象编程语言的目的:凡是可以在使用的地方都使用多态机制,只在必需的时候使用 RTTI 。

不要过早关注程序的效率问题。最好首先让程序运行起来,然后考虑他的速度。

感谢

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文章目录
  1. 1. 为什么需要 RTTI
  2. 2. Class 对象
  3. 3. Class 方法列表
    1. 3.0.1. 类字面常量
    2. 3.0.2. class 对象的 cast() 方法
  • 4. 类型转换前先检查
  • 5. 注册工厂
  • 6. Instanceof 与 Class 的等价性
  • 7. 反射:运行时类信息
  • 8. 动态代理
  • 9. 接口与类型的信息
  • 10. 总结
  • 11. 感谢
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