摘要
Reflection?是Java被視為動態（或準動態）語言的一個關鍵性質。這個機制允許程序在運行時透過Reflection?APIs取得任何一個已知名稱的class的內部信息，包括其modifiers（諸如public,?static?等等）、superclass（例如Object）、實現之interfaces（例如Cloneable），也包括fields和methods的所有信息，并可于運行時改變fields內容或喚起methods。本文借由實例，大面積示范Reflection?APIs。
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關于本文：
讀者基礎：具備Java?語言基礎。
本文適用工具：JDK1.5
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關鍵詞：
Introspection（內省、內觀）
Reflection（反射）
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有時候我們說某個語言具有很強的動態性，有時候我們會區分動態和靜態的不同技術與作法。我們朗朗上口動態綁定（dynamic?binding）、動態鏈接（dynamic?linking）、動態加載（dynamic?loading）等。然而“動態”一詞其實沒有絕對而普遍適用的嚴格定義，有時候甚至像對象導向當初被導入編程領域一樣，一人一把號，各吹各的調。
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一般而言，開發者社群說到動態語言，大致認同的一個定義是：“程序運行時，允許改變程序結構或變量類型，這種語言稱為動態語言”。從這個觀點看，Perl，Python，Ruby是動態語言，C++，Java，C#不是動態語言。
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盡管在這樣的定義與分類下Java不是動態語言，它卻有著一個非常突出的動態相關機制：Reflection。這個字的意思是“反射、映象、倒影”，用在Java身上指的是我們可以于運行時加載、探知、使用編譯期間完全未知的classes。換句話說，Java程序可以加載一個運行時才得知名稱的class，獲悉其完整構造（但不包括methods定義），并生成其對象實體、或對其fields設值、或喚起其methods1。這種“看透class”的能力（the?ability?of?the?program?to?examine?itself）被稱為introspection（內省、內觀、反省）。Reflection和introspection是常被并提的兩個術語。
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Java如何能夠做出上述的動態特性呢？這是一個深遠話題，本文對此只簡單介紹一些概念。整個篇幅最主要還是介紹Reflection?APIs，也就是讓讀者知道如何探索class的結構、如何對某個“運行時才獲知名稱的class”生成一份實體、為其fields設值、調用其methods。本文將談到java.lang.Class，以及java.lang.reflect中的Method、Field、Constructor等等classes。
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“Class”class
眾所周知Java有個Object?class，是所有Java?classes的繼承根源，其內聲明了數個應該在所有Java?class中被改寫的methods：hashCode()、equals()、clone()、toString()、getClass()等。其中getClass()返回一個Class?object。
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Class?class十分特殊。它和一般classes一樣繼承自Object，其實體用以表達Java程序運行時的classes和interfaces，也用來表達enum、array、primitive?Java?types（boolean,?byte,?char,?short,?int,?long,?float,?double）以及關鍵詞void。當一個class被加載，或當加載器（class?loader）的defineClass()被JVM調用，JVM?便自動產生一個Class?object。如果您想借由“修改Java標準庫源碼”來觀察Class?object的實際生成時機（例如在Class的constructor內添加一個println()），不能夠！因為Class并沒有public?constructor（見圖1）。本文最后我會撥一小塊篇幅順帶談談Java標準庫源碼的改動辦法。
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Class是Reflection故事起源。針對任何您想探勘的class，唯有先為它產生一個Class?object，接下來才能經由后者喚起為數十多個的Reflection?APIs。這些APIs將在稍后的探險活動中一一亮相。
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#001?public?final
#002?class?Class<T>?implements?java.io.Serializable,
#003?java.lang.reflect.GenericDeclaration,
#004?java.lang.reflect.Type,
#005?java.lang.reflect.AnnotatedElement?{
#006?????private?Class()?{}
#007?????public?String?toString()?{
#008?????????return?(?isInterface()???"interface?"?:
#009?????????(isPrimitive()???""?:?"class?"))
#010?????+?getName();
#011?}
...
圖1：Class?class片段。注意它的private?empty?ctor，意指不允許任何人經由編程方式產生Class?object。是的，其object?只能由JVM?產生。
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“Class”?object的取得途徑
Java允許我們從多種管道為一個class生成對應的Class?object。圖2是一份整理。
Class?object?誕生管道????示例
運用getClass()
注：每個class?都有此函數????String?str?=?"abc";
Class?c1?=?str.getClass();
運用
Class.getSuperclass()2????Button?b?=?new?Button();
Class?c1?=?b.getClass();
Class?c2?=?c1.getSuperclass();
運用static?method
Class.forName()
（最常被使用）????Class?c1?=?Class.forName?("java.lang.String");
Class?c2?=?Class.forName?("java.awt.Button");
Class?c3?=?Class.forName?("java.util.LinkedList$Entry");
Class?c4?=?Class.forName?("I");
Class?c5?=?Class.forName?("[I");
運用
.class?語法????Class?c1?=?String.class;
Class?c2?=?java.awt.Button.class;
Class?c3?=?Main.InnerClass.class;
Class?c4?=?int.class;
Class?c5?=?int[].class;
運用
primitive?wrapper?classes
的TYPE?語法
?????Class?c1?=?Boolean.TYPE;
Class?c2?=?Byte.TYPE;
Class?c3?=?Character.TYPE;
Class?c4?=?Short.TYPE;
Class?c5?=?Integer.TYPE;
Class?c6?=?Long.TYPE;
Class?c7?=?Float.TYPE;
Class?c8?=?Double.TYPE;
Class?c9?=?Void.TYPE;
圖2：Java?允許多種管道生成Class?object。
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Java?classes?組成分析
首先容我以圖3的java.util.LinkedList為例，將Java?class的定義大卸八塊，每一塊分別對應圖4所示的Reflection?API。圖5則是“獲得class各區塊信息”的程序示例及執行結果，它們都取自本文示例程序的對應片段。
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package?java.util;?????????????????????????//(1)
import?java.lang.*;?????????????????????//(2)
public?class?LinkedList<E>?????????????????//(3)(4)(5)
extends?AbstractSequentialList<E>?????????//(6)
implements?List<E>,?Queue<E>,
Cloneable,?java.io.Serializable?????????//(7)
{
private?static?class?Entry<E>?{?…?}//(8)
public?LinkedList()?{?…?}?????????????//(9)
public?LinkedList(Collection<??extends?E>?c)?{?…?}
public?E?getFirst()?{?…?}?????????????//(10)
public?E?getLast()?{?…?}
private?transient?Entry<E>?header?=?…;????//(11)
private?transient?int?size?=?0;
}
圖3：將一個Java?class?大卸八塊，每塊相應于一個或一組Reflection?APIs（圖4）。
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Java?classes?各成份所對應的Reflection?APIs
圖3的各個Java?class成份，分別對應于圖4的Reflection?API，其中出現的Package、Method、Constructor、Field等等classes，都定義于java.lang.reflect。
Java?class?內部模塊（參見圖3）????Java?class?內部模塊說明????相應之Reflection?API，多半為Class?methods。????返回值類型(return?type)
(1)?package????class隸屬哪個package????getPackage()????Package
(2)?import????class導入哪些classes????無直接對應之API。
解決辦法見圖5-2。?????
(3)?modifier????class（或methods,?fields）的屬性
?????int?getModifiers()
Modifier.toString(int)
Modifier.isInterface(int)????int
String
bool
(4)?class?name?or?interface?name????class/interface????名稱getName()????String
(5)?type?parameters????參數化類型的名稱????getTypeParameters()?????TypeVariable?<Class>[]
(6)?base?class????base?class（只可能一個）????getSuperClass()????Class
(7)?implemented?interfaces????實現有哪些interfaces????getInterfaces()????Class[]
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(8)?inner?classes????內部classes????getDeclaredClasses()????Class[]
(8')?outer?class????如果我們觀察的class?本身是inner?classes，那么相對它就會有個outer?class。????getDeclaringClass()????Class
(9)?constructors????構造函數getDeclaredConstructors()????不論?public?或private?或其它access?level，皆可獲得。另有功能近似之取得函數。????Constructor[]
(10)?methods????操作函數getDeclaredMethods()????不論?public?或private?或其它access?level，皆可獲得。另有功能近似之取得函數。????Method[]
(11)?fields????字段（成員變量）????getDeclaredFields()不論?public?或private?或其它access?level，皆可獲得。另有功能近似之取得函數。????Field[]
圖4：Java?class大卸八塊后（如圖3），每一塊所對應的Reflection?API。本表并非
Reflection?APIs?的全部。
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Java?Reflection?API?運用示例
圖5示范圖4提過的每一個Reflection?API，及其執行結果。程序中出現的tName()是個輔助函數，可將其第一自變量所代表的“Java?class完整路徑字符串”剝除路徑部分，留下class名稱，儲存到第二自變量所代表的一個hashtable去并返回（如果第二自變量為null，就不儲存而只是返回）。
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#001?Class?c?=?null;
#002?c?=?Class.forName(args[0]);
#003
#004?Package?p;
#005?p?=?c.getPackage();
#006
#007?if?(p?!=?null)
#008?????System.out.println("package?"+p.getName()+";");
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執行結果（例）：
package?java.util;
圖5-1：找出class?隸屬的package。其中的c將繼續沿用于以下各程序片段。
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#001?ff?=?c.getDeclaredFields();
#002?for?(int?i?=?0;?i?<?ff.length;?i++)
#003?????x?=?tName(ff[i].getType().getName(),?classRef);
#004
#005?cn?=?c.getDeclaredConstructors();
#006?for?(int?i?=?0;?i?<?cn.length;?i++)?{
#007?????Class?cx[]?=?cn[i].getParameterTypes();
#008?????for?(int?j?=?0;?j?<?cx.length;?j++)
#009?????????x?=?tName(cx[j].getName(),?classRef);
#010?}
#011
#012?mm?=?c.getDeclaredMethods();
#013?for?(int?i?=?0;?i?<?mm.length;?i++)?{
#014?????x?=?tName(mm[i].getReturnType().getName(),?classRef);
#015?????Class?cx[]?=?mm[i].getParameterTypes();
#016?????for?(int?j?=?0;?j?<?cx.length;?j++)
#017?????????x?=?tName(cx[j].getName(),?classRef);
#018?}
#019?classRef.remove(c.getName());?//不必記錄自己（不需import?自己）
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執行結果（例）：
import?java.util.ListIterator;
import?java.lang.Object;
import?java.util.LinkedList$Entry;
import?java.util.Collection;
import?java.io.ObjectOutputStream;
import?java.io.ObjectInputStream;
圖5-2：找出導入的classes，動作細節詳見內文說明。
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#001?int?mod?=?c.getModifiers();
#002?System.out.print(Modifier.toString(mod));?//整個modifier
#003
#004?if?(Modifier.isInterface(mod))
#005?????System.out.print("?");?//關鍵詞?"interface"?已含于modifier
#006?else
#007?????System.out.print("?class?");?//關鍵詞?"class"
#008?System.out.print(tName(c.getName(),?null));?//class?名稱
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執行結果（例）：
public?class?LinkedList
圖5-3：找出class或interface?的名稱，及其屬性（modifiers）。
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#001?TypeVariable<Class>[]?tv;
#002?tv?=?c.getTypeParameters();?//warning:?unchecked?conversion
#003?for?(int?i?=?0;?i?<?tv.length;?i++)?{
#004?????x?=?tName(tv[i].getName(),?null);?//例如?E,K,V...
#005?????if?(i?==?0)?//第一個
#006?????????System.out.print("<"?+?x);
#007?????else?//非第一個
#008?????????System.out.print(","?+?x);
#009?????if?(i?==?tv.length-1)?//最后一個
#010?????????System.out.println(">");
#011?}
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執行結果（例）：
public?abstract?interface?Map<K,V>
或?public?class?LinkedList<E>
圖5-4：找出parameterized?types?的名稱
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#001?Class?supClass;
#002?supClass?=?c.getSuperclass();
#003?if?(supClass?!=?null)?//如果有super?class
#004?????System.out.print("?extends"?+
#005?tName(supClass.getName(),classRef));
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執行結果（例）：
public?class?LinkedList<E>
extends?AbstractSequentialList,
圖5-5：找出base?class。執行結果多出一個不該有的逗號于尾端。此非本處重點，為簡化計，不多做處理。
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#001?Class?cc[];
#002?Class?ctmp;
#003?//找出所有被實現的interfaces
#004?cc?=?c.getInterfaces();
#005?if?(cc.length?!=?0)
#006?????System.out.print(",?\r\n"?+?"?implements?");?//關鍵詞
#007?for?(Class?cite?:?cc)?//JDK1.5?新式循環寫法
#008?????System.out.print(tName(cite.getName(),?null)+",?");
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執行結果（例）：
public?class?LinkedList<E>
extends?AbstractSequentialList,
implements?List,?Queue,?Cloneable,?Serializable,
圖5-6：找出implemented?interfaces。執行結果多出一個不該有的逗號于尾端。此非本處重點，為簡化計，不多做處理。
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#001?cc?=?c.getDeclaredClasses();?//找出inner?classes
#002?for?(Class?cite?:?cc)
#003?????System.out.println(tName(cite.getName(),?null));
#004
#005?ctmp?=?c.getDeclaringClass();?//找出outer?classes
#006?if?(ctmp?!=?null)
#007?????System.out.println(ctmp.getName());
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執行結果（例）：
LinkedList$Entry
LinkedList$ListItr
圖5-7：找出inner?classes?和outer?class
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#001?Constructor?cn[];
#002?cn?=?c.getDeclaredConstructors();
#003?for?(int?i?=?0;?i?<?cn.length;?i++)?{
#004?????int?md?=?cn[i].getModifiers();
#005?????System.out.print("?"?+?Modifier.toString(md)?+?"?"?+
#006?????cn[i].getName());
#007?????Class?cx[]?=?cn[i].getParameterTypes();
#008?????System.out.print("(");
#009?????for?(int?j?=?0;?j?<?cx.length;?j++)?{
#010?????????System.out.print(tName(cx[j].getName(),?null));
#011?????????if?(j?<?(cx.length?-?1))?System.out.print(",?");
#012?????}
#013?????System.out.print(")");
#014?}
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執行結果（例）：
public?java.util.LinkedList(Collection)
public?java.util.LinkedList()
圖5-8a：找出所有constructors
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#004?System.out.println(cn[i].toGenericString());
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執行結果（例）：
public?java.util.LinkedList(java.util.Collection<??extends?E>)
public?java.util.LinkedList()
圖5-8b：找出所有constructors。本例在for?循環內使用toGenericString()，省事。
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#001?Method?mm[];
#002?mm?=?c.getDeclaredMethods();
#003?for?(int?i?=?0;?i?<?mm.length;?i++)?{
#004?????int?md?=?mm[i].getModifiers();
#005?????System.out.print("?"+Modifier.toString(md)+"?"+
#006?????tName(mm[i].getReturnType().getName(),?null)+"?"+
#007?????mm[i].getName());
#008?????Class?cx[]?=?mm[i].getParameterTypes();
#009?????System.out.print("(");
#010?????for?(int?j?=?0;?j?<?cx.length;?j++)?{
#011?????????System.out.print(tName(cx[j].getName(),?null));
#012?????if?(j?<?(cx.length?-?1))?System.out.print(",?");
#013?????}
#014?????System.out.print(")");
#015?}
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執行結果（例）：
public?Object?get(int)
public?int?size()
圖5-9a：找出所有methods
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#004?System.out.println(mm[i].toGenericString());
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public?E?java.util.LinkedList.get(int)
public?int?java.util.LinkedList.size()
圖5-9b：找出所有methods。本例在for?循環內使用toGenericString()，省事。
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#001?Field?ff[];
#002?ff?=?c.getDeclaredFields();
#003?for?(int?i?=?0;?i?<?ff.length;?i++)?{
#004?????int?md?=?ff[i].getModifiers();
#005?????System.out.println("?"+Modifier.toString(md)+"?"+
#006?????tName(ff[i].getType().getName(),?null)?+"?"+
#007?????ff[i].getName()+";");
#008?}
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執行結果（例）：
private?transient?LinkedList$Entry?header;
private?transient?int?size;
圖5-10a：找出所有fields
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#004?System.out.println("G:?"?+?ff[i].toGenericString());
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private?transient?java.util.LinkedList.java.util.LinkedList$Entry<E>???
java.util.LinkedList.header
private?transient?int?java.util.LinkedList.size
圖5-10b：找出所有fields。本例在for?循環內使用toGenericString()，省事。
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找出class參用（導入）的所有classes
沒有直接可用的Reflection?API可以為我們找出某個class參用的所有其它classes。要獲得這項信息，必須做苦工，一步一腳印逐一記錄。我們必須觀察所有fields的類型、所有methods（包括constructors）的參數類型和回返類型，剔除重復，留下唯一。這正是為什么圖5-2程序代碼要為tName()指定一個hashtable（而非一個null）做為第二自變量的緣故：hashtable可為我們儲存元素（本例為字符串），又保證不重復。
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本文討論至此，幾乎可以還原一個class的原貌（唯有methods?和ctors的定義無法取得）。接下來討論Reflection?的另三個動態性質：(1)?運行時生成instances，(2)?執
行期喚起methods，(3)?運行時改動fields。
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運行時生成instances
欲生成對象實體，在Reflection?動態機制中有兩種作法，一個針對“無自變量ctor”，
一個針對“帶參數ctor”。圖6是面對“無自變量ctor”的例子。如果欲調用的是“帶參數ctor“就比較麻煩些，圖7是個例子，其中不再調用Class的newInstance()，而是調用Constructor?的newInstance()。圖7首先準備一個Class[]做為ctor的參數類型（本例指定為一個double和一個int），然后以此為自變量調用getConstructor()，獲得一個專屬ctor。接下來再準備一個Object[]?做為ctor實參值（本例指定3.14159和125），調用上述專屬ctor的newInstance()。
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#001?Class?c?=?Class.forName("DynTest");
#002?Object?obj?=?null;
#003?obj?=?c.newInstance();?//不帶自變量
#004?System.out.println(obj);
圖6：動態生成“Class?object?所對應之class”的對象實體；無自變量。
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#001?Class?c?=?Class.forName("DynTest");
#002?Class[]?pTypes?=?new?Class[]?{?double.class,?int.class?};
#003?Constructor?ctor?=?c.getConstructor(pTypes);
#004?//指定parameter?list，便可獲得特定之ctor
#005
#006?Object?obj?=?null;
#007?Object[]?arg?=?new?Object[]?{3.14159,?125};?//自變量
#008?obj?=?ctor.newInstance(arg);
#009?System.out.println(obj);
圖7：動態生成“Class?object?對應之class”的對象實體；自變量以Object[]表示。
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運行時調用methods
這個動作和上述調用“帶參數之ctor”相當類似。首先準備一個Class[]做為ctor的參數類型（本例指定其中一個是String，另一個是Hashtable），然后以此為自變量調用getMethod()，獲得特定的Method?object。接下來準備一個Object[]放置自變量，然后調用上述所得之特定Method?object的invoke()，如圖8。知道為什么索取Method?object時不需指定回返類型嗎？因為method?overloading機制要求signature（署名式）必須唯一，而回返類型并非signature的一個成份。換句話說，只要指定了method名稱和參數列，就一定指出了一個獨一無二的method。
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#001?public?String?func(String?s,?Hashtable?ht)
#002?{
#003?…System.out.println("func?invoked");?return?s;
#004?}
#005?public?static?void?main(String?args[])
#006?{
#007?Class?c?=?Class.forName("Test");
#008?Class?ptypes[]?=?new?Class[2];
#009?ptypes[0]?=?Class.forName("java.lang.String");
#010?ptypes[1]?=?Class.forName("java.util.Hashtable");
#011?Method?m?=?c.getMethod("func",ptypes);
#012?Test?obj?=?new?Test();
#013?Object?args[]?=?new?Object[2];
#014?arg[0]?=?new?String("Hello,world");
#015?arg[1]?=?null;
#016?Object?r?=?m.invoke(obj,?arg);
#017?Integer?rval?=?(String)r;
#018?System.out.println(rval);
#019?}
圖8：動態喚起method
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運行時變更fields內容
與先前兩個動作相比，“變更field內容”輕松多了，因為它不需要參數和自變量。首先調用Class的getField()并指定field名稱。獲得特定的Field?object之后便可直接調用Field的get()和set()，如圖9。
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#001?public?class?Test?{
#002?public?double?d;
#003
#004?public?static?void?main(String?args[])
#005?{
#006?Class?c?=?Class.forName("Test");
#007?Field?f?=?c.getField("d");?//指定field?名稱
#008?Test?obj?=?new?Test();
#009?System.out.println("d=?"?+?(Double)f.get(obj));
#010?f.set(obj,?12.34);
#011?System.out.println("d=?"?+?obj.d);
#012?}
#013?}
圖9：動態變更field?內容
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Java?源碼改動辦法
先前我曾提到，原本想借由“改動Java標準庫源碼”來測知Class?object的生成，但由于其ctor原始設計為private，也就是說不可能透過這個管道生成Class?object（而是由class?loader負責生成），因此“在ctor中打印出某種信息”的企圖也就失去了意義。
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這里我要談點題外話：如何修改Java標準庫源碼并讓它反應到我們的應用程序來。假設我想修改java.lang.Class，讓它在某些情況下打印某種信息。首先必須找出標準源碼！當你下載JDK?套件并安裝妥當，你會發現jdk150\src\java\lang?目錄（見圖10）之中有Class.java，這就是我們此次行動的標準源碼。備份后加以修改，編譯獲得Class.class。接下來準備將.class?搬移到jdk150\jre\lib\endorsed（見圖10）。
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這是一個十分特別的目錄，class?loader將優先從該處讀取內含classes的.jar文件??成功的條件是.jar內的classes壓縮路徑必須和Java標準庫的路徑完全相同。為此，我們可以將剛才做出的Class.class先搬到一個為此目的而刻意做出來的\java\lang目錄中，壓縮為foo.zip（任意命名，唯需夾帶路徑java\lang），再將這個foo.zip搬到jdk150\jre\lib\endorsed并改名為foo.jar。此后你的應用程序便會優先用上這里的java.lang.Class。整個過程可寫成一個批處理文件（batch?file），如圖11，在DOS?Box中使用。
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圖10：JDK1.5?安裝后的目錄組織。其中的endorsed?是我新建。
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del?e:\java\lang\*.class?//清理干凈
del?c:\jdk150\jre\lib\endorsed\foo.jar?//清理干凈
c:
cd?c:\jdk150\src\java\lang
javac?-Xlint:unchecked?Class.java?//編譯源碼
javac?-Xlint:unchecked?ClassLoader.java?//編譯另一個源碼（如有必要）
move?*.class?e:\java\lang?//搬移至刻意制造的目錄中
e:
cd?e:\java\lang?//以下壓縮至適當目錄
pkzipc?-add?-path=root?c:\jdk150\jre\lib\endorsed\foo.jar?*.class
cd?e:\test?//進入測試目錄
javac?-Xlint:unchecked?Test.java?//編譯測試程序
java?Test?//執行測試程序
圖11：一個可在DOS?Box中使用的批處理文件（batch?file），用以自動化java.lang.Class
的修改動作。Pkzipc(.exe)是個命令列壓縮工具，add和path都是其命令。
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更多信息
以下是視野所及與本文主題相關的更多討論。這些信息可以彌補因文章篇幅限制而帶來的不足，或帶給您更多視野。
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??????????"Take?an?in-depth?look?at?the?Java?Reflection?API?--?Learn?about?the?new?Java?1.1?tools?forfinding?out?information?about?classes",?by?Chuck?McManis。此篇文章所附程序代碼是本文示例程序的主要依據（本文示例程序示范了更多Reflection?APIs，并采用JDK1.5?新式的for-loop?寫法）。
??????????"Take?a?look?inside?Java?classes?--?Learn?to?deduce?properties?of?a?Java?class?from?inside?aJava?program",?by?Chuck?McManis。
??????????"The?basics?of?Java?class?loaders?--?The?fundamentals?of?this?key?component?of?the?Javaarchitecture",?by?Chuck?McManis。
??????????《The?Java?Tutorial?Continued》,?Sun?microsystems.?Lesson58-61,?"Reflection".
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注1用過諸如MFC這類所謂?Application?Framework的程序員也許知道，MFC有所謂的dynamic?creation。但它并不等同于Java的動態加載或動態辨識；所有能夠在MFC程序中起作用的classes，都必須先在編譯期被編譯器“看見”。