Рефлексия (программирование)

В информатике, отражение или рефлексия (синоним интроспекция, англ. reflection) означает процесс, во время которого программа может отслеживать и модифицировать собственную структуру и поведение во время выполнения. Парадигма программирования, положенная в основу отражения, называется рефлексивным программированием. Это один из видов метапрограммирования .

В большинстве современных компьютерных архитектур программные инструкции (код) хранятся как данные. Разница между кодом и данными в том, что выполняя код, компьютеры обрабатывают данные. То есть, 'инструкции' 'выполняются', а 'данные' 'обрабатываются' так, как предписано этими инструкциями. Однако, программы, написанные с помощью некоторых языков, способны обрабатывать собственные инструкции как данные и, таким образом, выполнять рефлексивные модификации. Такие самомодифицирующиеся программы в основном создаются с помощью высокоуровневых языков программирования, использующих виртуальные машины (например, Smalltalk, скриптовые языки). Также рефлексия используется в языках с объявляемыми и/или статическими типами (например, Java, Си, ML, Haskell).

Рефлексивно-ориентированное программирование

Рефлексивно-ориентированное программирование или рефлексивное программирование — функциональное расширение парадигмы объектно-ориентированного программирования. Рефлексивно-ориентированное программирование включает в себя самопроверку, самомодификацию и самоклонирование. Тем не менее, главное достоинство рефлексивно-ориентированной парадигмы заключается в динамической модификации программы, которое может быть определено и выполнено во время работы программы. Некоторые императивные подходы, например, процедурная и объектно-ориентированная парадигмы программирования, указывают, что существует четкая предопределённая последовательность операций обработки данных. Парадигма рефлексивно-ориентированного программирования, тем не менее, добавляет возможность динамической модификации программных инструкций во время работы и их вызова в модифицированном виде. То есть, программная архитектура сама определяет что именно можно делать во время работы исходя из данных, сервисов и специфических операций.

История

Понятие рефлексии в языках программирования введено Brian Cantwell Smith в докторской диссертации 1982 г. наряду с понятием meta-circular interpreter, как компонента 3-Lisp.

Применение

Рефлексия может использоваться для наблюдения и изменения программы во время выполнения. Рефлексивный компонент программы может наблюдать за выполнением определённого участка кода и изменять себя для достижения желаемой цели. Модификация выполняется во время выполнения программы путём динамического изменения кода.

Рефлексию можно применять и для динамической адаптации программы к различным ситуациям. Например, рассмотрим программу, использующую два разных класса X и Y для выполнения аналогичных операций. Без рефлексии в коде программы методы классов X и Y будут вызываться явно. Если программа спроектирована с применением рефлексивно-ориентированный прадигмы программирования, некоторый участок кода не будет содержать явных вызовов методов классов X и Y; программа выполнит этот участок дважды: сначала для класса X, затем для класса Y.

Реализации

Программы, написанные на языках программирования, поддерживающих рефлексию, наделены дополнительными возможностями, реализация которых на языках низкого уровня затруднительна. Перечислим некоторые из них:

• поиск и модификация конструкций исходного кода (блоков, классов, методов, протоколов и т. п.) как first-class object во время выполнения;
• изменение имён классов и функций во время выполнения;
• анализ и выполнение строк кода, поступающих извне;
• создание интерпретатора байткода нового языка.

Реализация этих возможностей возможна разными путями. В языке MOO, рефлексия является частью ежедневной идиомы программирования. Все вызываемые методы получают в контексте информацию о том, откуда они вызваны, и ссылки на объекты, к которым они принадлежат. Безопасность контролируется программно с помощью стека вызовов: вызывается callers() для получения списка методов; проверяется, не заблокировал ли callers()[1] сам себя.

Компилируемые языки полагаются на свои системы выполнения, обеспечивающие программы информацией о их исходном коде. Скомпилированный на Objective-C выполняемый файл, например, записывает имена всех методов в один блок, создаёт таблицу соответствия. В компилируемых языках, поддерживающих создание функций во время выполнения, таких как Common Lisp, среда выполнения должна включать компилятор и интерпретатор.

Реализация рефлексии на языках, её не поддерживающих, выполняется с помощью системы трансформации программы для автоматического отслеживания изменений исходного кода.

Примеры

Следующие примеры иллюстрируют применение рефлексии на примере создания экземпляра foo класса Foo и вызова метода hello (или Hello) в различных языках программирования. Для каждого языка приведено по два примера: первый не использует рефлексию, а второй использует.

C#

// Без рефлексии
Foo foo = new Foo();
foo.Hello();

// С рефлексией
Type type=System.Type.GetType("Foo");
var foo=Activator.CreateInstance(type);
foo.GetType().GetMethod("Hello").Invoke(foo, null);

ECMAScript

Также работает на JavaScript и ActionScript:

//Без рефлексии
new Foo().hello()
 
// С рефлексией
 
// assuming that Foo resides in this
new this['Foo']()['hello']()
 
// or without assumption
new (eval('Foo'))()['hello']()

Java

// Без рефлексии
new Foo().hello();

// С рефлексией
Class cls = Class.forName("Foo");
cls.getMethod("hello", null).invoke(cls.newInstance(), null);

Qt/C++

Библиотека Qt расширяет возможности C++ с помощью мета языка и обеспечивает поддержку рефлексии для ссылок на члены/методы класса и запрос имени объектов Qt с помощью класса QMetaObject, содержащего мета данные о объектах Qt.

Lua

-- Без рефлексии
Foo.hello()
 
-- С рефлексией
_G['Foo']['hello']()

Objective-C

// Без рефлексии
Foo *foo = [[Foo alloc] init];
[foo hello];

// С рефлексей
Class cls = NSClassFromString(@"Foo");
id foo = [[cls alloc] init];
SEL selector = NSSelectorFromString(@"hello");
[foo performSelector:selector withObject:nil];

Perl

# Без рефлексии
my $foo = Foo->new();
$foo->hello();

# С рефлексией
my $class  = "Foo";
my $method = "hello";
my $object = $class->new();
$object->$method();

PHP

//Без рефлексии
$oFoo = new Foo();
$oFoo->hello();

//С рефлексией
$oReflector = new ReflectionClass('Foo');
$oFoo = $oReflector->newInstance();
$oHello = $oReflector->getMethod('hello');
$oHello->invoke($oFoo);

//С использованием callback
$oFoo = new Foo();
call_user_func(array($oFoo,'hello'));

//С использованием синтаксиса переменных переменных
$class_name = "Foo";
$f = new $class_name();
$method = "hello";
$f->$method();

Python

# Без рефлексии
Foo().hello()

# С рефлексией
getattr(globals()['Foo'](), 'hello')()

Ruby

# Без рефлексии
Foo.new.hello

# С рефлексией
Object.const_get(:Foo).send(:new).send(:hello)

Smalltalk

"Без рефлексии"
Foo new hello

"С рефлексией"
((Smalltalk at: #Foo) perform: #new) perform: #hello

Io

Foo := Object clone do(
    hello := method(
        "Hello" println
    )
)

# Без рефлексии
Foo hello

# С рефлексией
getSlot("Foo") getSlot("hello") call

ActionScript 3.0

// Без рефлексии
var foo:Foo = new Foo();
foo.hello();

// С рефлексией
var cls:Object = getDefinitionByName("Foo");
var foo:Object = new cls();
foo.hello();

Delphi 2010

// Без рефлексии
var
  foo : TFoo;
begin
  foo := TFoo.Create();
  foo.Hello();
end;

// С рефлексией
var
 c : TRttiContext;
 t : TRttiInstanceType;
 foo : TValue;
begin
   c := TRttiContext.Create;
   t := (c.FindType('TFoo') as TRttiInstanceType);
   foo := t.GetMethod('Create').Invoke(t.MetaclassType,[]);
   t.GetMethod('Hello').Invoke(foo,[]);
   c.Free;
end.

См. также

• en:Type introspection
• Самомодифицирующийся код
• Парадигма программирования
• Список рефлективных языков программирования

Ссылки

Notes

Documents

• Jonathan M. Sobel and Daniel P. Friedman. An Introduction to Reflection-Oriented Programming (1996), Indiana University.

Дополнительная информация

• Ira R. Forman and Nate Forman, Java Reflection in Action (2005), ISBN 1932394184
• Ira R. Forman and Scott Danforth, Putting Metaclasses to Work (1999), ISBN 0-201-43305-2

Внешние ссылки

• Reflection in logic, functional and object-oriented programming: a short comparative study
• An Introduction to Reflection-Oriented Programming
• Brian Foote's pages on Reflection in Smalltalk
• Java Reflection Tutorial from Sun Microsystems