Reflexion (Programmierung)

Reflexion (englisch reflection) bedeutet in der Programmierung, dass ein Programm seine eigene Struktur kennt (englisch introspection) und/oder diese modifizieren kann (englisch intercession).

Details

Reflexion ermöglicht bei objektorientierter Programmierung beispielsweise zur Laufzeit die Abfrage von Informationen über die Klassen, aus denen Objekte instanziiert werden. Bei einer Klasse sind dies beispielsweise der Name der Klasse, die definierten Felder und Methoden. Bei einer Methode sind das wiederum deren Sichtbarkeit, der Datentyp des Rückgabewertes oder der Typ der Übergabeparameter. Die Umsetzung der Abfragemöglichkeiten ist sprachspezifisch.

Reflexion ist eine Voraussetzung für die dynamische Typsicherheit. Typen werden hierbei zur Ausführungszeit überprüft und können reflexiv abgefragt werden. Ebenso wird sie für die Realisierung von Persistenz (persistente Datenhaltung von Objekten und deren Beziehungen) verwendet: Welche Daten zu speichern sind, kann die Persistenz-Realisierung zur Laufzeit über Reflexion erfragen. Für unterschiedliche (Objekt-)Strukturen müssen dann keine spezifischen Speicherfunktionen implementiert werden.

Die Ausführungsgeschwindigkeit von Code per Reflexion ist für gewöhnlich geringer als die von statischem Code. Dies liegt unter anderem an den String-Vergleichen der entsprechenden Namen der gewünschten Methoden, Eigenschaften usw. mit den Einträgen in den Metadaten. Jedoch bietet Reflexion eine sehr hohe Laufzeitflexibilität, da Code dynamisch aufgerufen werden kann, neue Instanzen erstellt oder sogar Typen und Objekte dynamisch neu strukturiert werden können.

Sprachunterstützung

Für die Realisierung der Reflexion ist das Speichern von Metainformation im ausführbaren Code des Programms notwendig, welche zur Laufzeit ausgelesen wird.

Bei interpretierenden Programmiersprachen liegt zur Ausführungszeit der ursprüngliche Programmcode vor, was neben dem Zugriff auf die Strukturinformation (Methodendeklaration) auch den Zugriff auf die Implementierung ermöglicht. Beispiele dafür sind PHP, Lisp, Python, Smalltalk und Tcl.

Weiterhin wird Reflexion häufig von Frameworks oder Sprachen unterstützt, die in einer virtuellen Maschine ausgeführt werden, beispielsweise Java oder Smalltalk. Auch alle Sprachen, die das .Net-Framework verwenden, müssen laut der Common Language Specification (CLS) die für Reflexion notwendigen Informationen als Metadaten speichern, wie z. B. C#, Object Pascal, VB.NET oder IronPython.

Im Prinzip kann auch Maschinencode im RAM, der von einem Mikroprozessor ausgeführt wird, als reflexiv betrachtet werden. Ein solches Programm ist in der Lage, seine Anweisungen wie Daten zu behandeln, und kann deshalb seine Struktur analysieren und verändern.

Beispiele

C#

Das folgende Beispiel zeigt eine Methode, die eine beliebige andere Methode eines gegebenen Objekts aufruft und deren Rückgabewert zurückgibt. Aus Gründen der Vereinfachung unterstützt dieses Beispiel nur den Aufruf von Methoden ohne Parameter, die Zeichenketten ("String") zurückgeben.

public string GetStringProperty(Object obj, string methodName) {
    string val = null;

    try {
        MethodInfo methodInfo = obj.GetType().GetMethod(methodName);
        val = (string)methodInfo.Invoke(obj, new Object[0]);
    } catch (Exception e) {
        //Fehlerbehandlung zwecks Übersichtlichkeit nicht implementiert.
    }

    return val;
  }

Java

Das folgende Beispiel zeigt eine Methode, die der Funktionalität des C#-Beispiels entspricht.

public String getStringProperty(Object object, String methodName) {
    String value = null;

    try {
        Method getter = object.getClass().getMethod(methodName, new Class[0]);
        value = (String) getter.invoke(object, new Object[0]);
    } catch (Exception e) {
        //Fehlerbehandlung zwecks Übersichtlichkeit nicht implementiert.
    }

    return value;
}

Die folgende Anweisung würde dann die Methode getVorname() des Objekts person aufrufen und deren Rückgabewert ausgeben.

System.out.println("Vorname von " + person + " ist "
                   + getStringProperty(person, "getVorname"));

Common Lisp

(funcall (find-symbol "SIN") 3)

PHP

$reflectionExampleObj = new ReflectionClass('ExampleClass');
Reflection::export($reflectionExampleObj);

Die angegebene Anweisung würde dann die Eigenschaften der Klasse "ExampleClass" als Ausgabe zurückliefern.

Die folgende Anweisung liefert beispielsweise die statischen Variablen der Klasse, wenn welche existieren:

$reflectionExampleObj = new ReflectionClass('ExampleClass');
$reflectionExampleObj->getStaticVariables();

Python

Die Namen der Attribute eines Objekts können mit der eingebauten Funktion dir ermittelt werden.

Das Attribute __doc__ enthält die Dokumentation eines Objects.

Das Standardmodul inspect erlaubt den Zugriff auf viele Eigenschaften von Python-Objekten, einschließlich Python-Code.

class Person(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def say_hello(self):
        """Grüße die Person."""
        
        return 'Hallo %s!' % self.name

ute = Person('Ute')

# direkter Aufruf
ute.say_hello()
# Hallo Ute!

# Reflexion: Ermittle alle Attribute der Klasse Person
print(dir(ute))
# ['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__', 'name', 'say_hello']

# Reflexion: Zeige die Dokumentation der Method say_hello an
print(ute.say_hello.__doc__)
# Grüße die Person

Ruby

"a String".class # ergibt "String"
"a String".respond_to?(:size) # ergibt true -> Objekt kann Methode size ausführen
"a String".methods # ergibt einen Array mit allen Methoden des Objektes
"a String".method(:concat).arity # gibt die Anzahl der Parameter an,
                          # die die Methode concat verlangt
class Book
  def initialize(*parameters)
    @title, @author, @chapters = parameters
  end
end
a_book = Book.new("Book Title", "Someone", ["chapter I", "chapter II", "chapter III"])
a_book.instance_variables # ergibt einen Array aller Objektinstanzvariablen:
                      # ["@title", "@author", "@chapters"]
Book.instance_methods # gibt alle Instanzmethoden der Klasse Book aus.

Smalltalk

Statt Methodenaufrufen auf Objekten werden diesen in Smalltalk Nachrichten gesendet. Die Methoden, welche Reflexion ermöglichen, haben ähnliche Namen wie in Ruby.

'a String' class. " ergibt String"
'a String' respondsTo: #size. " ergibt true"
'a String' class methodDictionary. " ergibt ein Dictionary mit allen Methoden"
('a String' class compiledMethodAt: #,) numArgs " ergibt 1"

Man kann auch den Quellcode einer Methode erfragen:

'a String' class sourceCodeAt: #size " ergibt 'size
 	""Answer the number of indexable fields in the receiver. This value is the 
 	same as the largest legal subscript. Primitive is specified here to override 
 	SequenceableCollection size. Essential. See Object documentation 
 	whatIsAPrimitive. ""
 
 	<primitive: 62>
 	^self basicSize' .

Eine einfache Beispielklasse, die ein Buch modelliert:

Object subclass: #Book
	instanceVariableNames: 'title author chapters'
	classVariableNames: ''
	poolDictionaries: ''
	category: 'Wikipedia'

Die Initialisierungsmethode:

initializeFrom: aParameterCollection
	"Initialisiere diese Instanz mit den in aParameterCollection gesendeten Parametern."

	title := aParameterCollection first.
	author := aParameterCollection second.
	chapters := aParameterCollection third

Man kann nun direkt die Klasse Book nach ihren Instanzvariablen fragen:

Book instVarNames. " ergibt #('title' 'author' 'chapters')"

Auch kann man alle Methoden erfragen:

Book methodDictionary "ergibt a MethodDictionary(#initializeFrom:->(Book>>#initializeFrom: ""a CompiledMethod:65(3016448)"") )"

Man kann auch hier Quellcode einer Methode erfragen:

Book sourceCodeAt: #initializeFrom: " ergibt: 'initializeFrom: aParameterCollection
 	""Initialisiere diese Instanz mit den in aParameterCollection gesendeten Parametern.""
 
 	title := aParameterCollection first.
 	author := aParameterCollection second.
 	chapters := aParameterCollection third' "

Tcl

Das folgende Beispiel zeigt eine Methode rufe, die der Funktionalität des obigen C#- und Java-Beispiels entspricht.

oo::class create Person {
    variable name vorname

    constructor {n v} {
        set name $n
        set vorname $v
    }

    # Diese gewöhnliche, parameterlose Methode liefert den Vornamen
    method getVorname {} {
        return $vorname
    }

    # Diese Methode ruft die Methode auf, deren Name als Parameter mitgegeben wird.
    method rufe {methode} {
        return [[self] $methode]
    }
}

# Erzeugen eines Objekts person der Klasse Person
Person create person Meier Franz

Die folgende Anweisung würde dann die Methode getVorname des Objekts person aufrufen und deren Rückgabewert ausgeben.

puts "Der Vorname lautet [person rufe getVorname] ";

Weblinks

Wiktionary: Reflexion – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Reflection und Annotationen (Memento vom 17. Dezember 2015 im Internet Archive)
• Tiefe Einblicke in CLR: Reflection in .NET (C#) im MSDN
• Seminararbeit zum Thema reflexive Programmiersprachen (Konzepte und Umsetzung in Java)
• Reflection in PHP
• GNU Smalltalk