【这是 ZY 第 17 篇原创技术文章】
- 了解 Java 反射基本用法
- 了解 Java 反射原理及 Java 反射效率低的原因
我们在 Java 开发中，难免会接触到反射，而在一些框架中，反射的运用更是常见。我相信，每次提到反射，大家的第一反应一定是反射效率低，尽量少使用。
但是反射的效率到底低多少？反射效率低的原因在哪里？
这篇文章就来探索一下这些问题。
由于本机上安装的是 openjdk 12，所以这里就使用 openjdk 12 源码进行分析。
我们先看结论，然后分析一下 Java 反射的原理，过程中大家可以根据结论，对源码做一些思考，然后再根据原理中的一些实现，看看 Java 反射效率低的原因。
Java 反射效率低主要原因是：
- Method#invoke 方法会对参数做封装和解封操作
- 需要检查方法可见性
- 需要校验参数
- 反射方法难以内联
- JIT 无法优化
我们先来看看 Java 反射使用的一段代码：
public class RefTest {
public static void main(String[] args) {
try {
Class clazz = Class.forName("com.zy.java.RefTest");
Object refTest = clazz.newInstance();
Method method = clazz.getDeclaredMethod("refMethod");
method.invoke(refTest);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void refMethod() {
}
}我们在调用反射时，首先会创建 Class 对象，然后获取其 Method 对象，调用 invoke 方法。
获取反射方法时，有两个方法，getMethod 和 getDeclaredMethod，我们就从这两个方法开始，一步步看下反射的原理。
接下来就进入代码分析，大家做好准备。
这里我们先整体看一下 getMethod 和 getDeclaredMethod 的实现。
class Class {
@CallerSensitive
public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
throws NoSuchMethodException, SecurityException {
Objects.requireNonNull(name);
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
// 1. 检查方法权限
checkMemberAccess(sm, Member.PUBLIC, Reflection.getCallerClass(), true);
}
// 2. 获取方法
Method method = getMethod0(name, parameterTypes);
if (method == null) {
throw new NoSuchMethodException(methodToString(name, parameterTypes));
}
// 3. 返回方法的拷贝
return getReflectionFactory().copyMethod(method);
}
@CallerSensitive
public Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
throws NoSuchMethodException, SecurityException {
Objects.requireNonNull(name);
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
// 1. 检查方法是权限
checkMemberAccess(sm, Member.DECLARED, Reflection.getCallerClass(), true);
}
// 2. 获取方法
Method method = searchMethods(privateGetDeclaredMethods(false), name, parameterTypes);
if (method == null) {
throw new NoSuchMethodException(methodToString(name, parameterTypes));
}
// 3. 返回方法的拷贝
return getReflectionFactory().copyMethod(method);
}
}从上面的代码，我们可以看到，获取方法的流程分三步走：
- 检查方法权限
- 获取方法 Method 对象
- 返回方法的拷贝
这里主要有两个区别：
- getMethod 中 checkMemberAccess 传入的是
Member.PUBLIC，而 getDeclaredMethod 传入的是Member.DECLARED这两个值有什么区别呢？我们看下代码中的注释：
interface Member {
/**
* Identifies the set of all public members of a class or interface,
* including inherited members.
*/
public static final int PUBLIC = 0;
/**
* Identifies the set of declared members of a class or interface.
* Inherited members are not included.
*/
public static final int DECLARED = 1;
}注释里清楚的解释了 PUBLIC 和 DECLARED 的不同，PUBLIC 会包括所有的 public 方法，包括父类的方法，而 DECLARED 会包括所有自己定义的方法，public，protected，private 都在此，但是不包括父类的方法。
这也正是 getMethod 和 getDeclaredMethod 的区别。
2. getMethod 中获取方法调用的是 getMethod0，而 getDeclaredMethod 获取方法调用的是 privateGetDeclaredMethods
关于这个区别，这里简单提及一下，后面具体分析代码。
privateGetDeclaredMethods 是获取类自身定义的方法，参数是 boolean publicOnly，表示是否只获取公共方法。
private Method[] privateGetDeclaredMethods(boolean publicOnly) {
//...
}而 getMethod0 会递归查找父类的方法，其中会调用到 privateGetDeclaredMethods 方法。
既然我们上面看了 getMethod 和 getDeclaredMethod 的区别，我们自然选择 getMethod 方法进行分析，这样可以走到整个流程。
getMethod 方法流程如下图：
class Class {
public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
throws NoSuchMethodException, SecurityException {
Objects.requireNonNull(name);
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
// 1. 检查方法权限
checkMemberAccess(sm, Member.PUBLIC, Reflection.getCallerClass(), true);
}
// 2. 获取方法 Method 对象
Method method = getMethod0(name, parameterTypes);
if (method == null) {
throw new NoSuchMethodException(methodToString(name, parameterTypes));
}
// 3. 返回方法拷贝
return getReflectionFactory().copyMethod(method);
}
}我们上面说到获取方法分三步走：
- 检查方法权限
- 获取方法 Method 对象
- 返回方法的拷贝
我们先看看检查方法权限做了些什么事情。
class Class {
private void checkMemberAccess(SecurityManager sm, int which,
Class<?> caller, boolean checkProxyInterfaces) {
/* Default policy allows access to all {@link Member#PUBLIC} members,
* as well as access to classes that have the same class loader as the caller.
* In all other cases, it requires RuntimePermission("accessDeclaredMembers")
* permission.
*/
final ClassLoader ccl = ClassLoader.getClassLoader(caller);
if (which != Member.PUBLIC) {
final ClassLoader cl = getClassLoader0();
if (ccl != cl) {
sm.checkPermission(SecurityConstants.CHECK_MEMBER_ACCESS_PERMISSION);
}
}
this.checkPackageAccess(sm, ccl, checkProxyInterfaces);
}
}在这里可以看到，对于非 Member.PUBLIC 的访问，会增加一项检测，SecurityManager.checkPermission(SecurityConstants.CHECK_MEMBER_ACCESS_PERMISSION); 这项检测需要运行时申请 RuntimePermission("accessDeclaredMembers")。
这里就不继续往下看了，方法整体是在检查是否可以访问对象成员。
接着看下是如何获取方法的 Method 对象。
class Class {
private Method getMethod0(String name, Class<?>[] parameterTypes) {
PublicMethods.MethodList res = getMethodsRecursive(
name,
parameterTypes == null ? EMPTY_CLASS_ARRAY : parameterTypes,
/* includeStatic */ true);
return res == null ? null : res.getMostSpecific();
}
}这里是通过 getMethodsRecursive 获取到 MethodList 对象，然后通过 MethodList#getMostSpecific 方法筛选出对应的方法。
MethodList#getMOstSpecific 会筛选返回值类型最为具体的方法，至于为什么会有返回值的区别，后面会讲到。
（这里的具体，指的是有两个方法，返回值分别是 Child 和 Parent，Child 继承自 Parent，这里会筛选出返回值为 Child 的方法）。
接着看 getMethodsRecursive 方法，是如何获取方法的。
class Class {
private PublicMethods.MethodList getMethodsRecursive(String name,
Class<?>[] parameterTypes,
boolean includeStatic) {
// 1. 获取自己的 public 方法
Method[] methods = privateGetDeclaredMethods(/* publicOnly */ true);
// 2. 筛选符合条件的方法，构造 MethodList 对象
PublicMethods.MethodList res = PublicMethods.MethodList
.filter(methods, name, parameterTypes, includeStatic);
// 找到方法，直接返回
if (res != null) {
return res;
}
// 3. 没有找到方法，就获取其父类，递归调用 getMethodsRecursive 方法
Class<?> sc = getSuperclass();
if (sc != null) {
res = sc.getMethodsRecursive(name, parameterTypes, includeStatic);
}
// 4. 获取接口中对应的方法
for (Class<?> intf : getInterfaces(/* cloneArray */ false)) {
res = PublicMethods.MethodList.merge(
res, intf.getMethodsRecursive(name, parameterTypes,
/* includeStatic */ false));
}
return res;
}
}这里获取方法有四个步骤：
- 通过
privateGetDeclaredMethods获取自己所有的 public 方法 - 通过
MethodList#filter查找 方法名，参数相同的方法，如果找到，直接返回 - 如果自己没有实现对应的方法，就去父类中查找对应的方法
- 查找接口中对应的方法
通过上面四个步骤，最终获取到的是一个 MethodList 对象，是一个链表结点，其 next 指向下一个结点。也就是说，这里获取到的 Method 会有多个。
这里稍微解释一下，在我们平时编写 Java 代码时，同一个类是不能有方法名和方法参数都相同的方法的，而实际上，在 JVM 中，一个方法签名是和 返回值，方法名，方法参数 三者相关的。
也就是说，在 JVM 中，可以存在 方法名和方法参数都相同，但是返回值不同的方法。
所以这里返回的是一个方法链表。
所以上面最终返回方法时会通过 MethodList#getMostSpecific 进行返回值的筛选，筛选出返回值类型最具体的方法。
这里我们先暂停回顾一下整体的调用链路：
getMethod -> getMethod0 -> getMethodsRecursive -> privateGetDeclaredMethods
通过函数调用，最终会调用到 privateGetDeclaredMethods 方法，也就是真正获取方法的地方。
class Class {
private Method[] privateGetDeclaredMethods(boolean publicOnly) {
Method[] res;
// 1. 通过缓存获取 Method[]
ReflectionData<T> rd = reflectionData();
if (rd != null) {
res = publicOnly ? rd.declaredPublicMethods : rd.declaredMethods;
if (res != null) return res;
}
// 2. 没有缓存，通过 JVM 获取
res = Reflection.filterMethods(this, getDeclaredMethods0(publicOnly));
if (rd != null) {
if (publicOnly) {
rd.declaredPublicMethods = res;
} else {
rd.declaredMethods = res;
}
}
return res;
}
}在 privateGetDeclaredMethods 获取方法时，有两个步骤：
- relectionData 通过缓存获取
- 如果缓存没有命中的话，通过 getDeclaredMethods0 获取方法
先看看 relectionData 方法：
class Class {
private ReflectionData<T> reflectionData() {
SoftReference<ReflectionData<T>> reflectionData = this.reflectionData;
int classRedefinedCount = this.classRedefinedCount;
ReflectionData<T> rd;
if (reflectionData != null &&
(rd = reflectionData.get()) != null &&
rd.redefinedCount == classRedefinedCount) {
return rd;
}
// else no SoftReference or cleared SoftReference or stale ReflectionData
// -> create and replace new instance
return newReflectionData(reflectionData, classRedefinedCount);
}
}在 Class 中会维护一个 ReflectionData 的软引用，作为反射数据的缓存。
ReflectionData 结构如下：
private static class ReflectionData<T> {
volatile Field[] declaredFields;
volatile Field[] publicFields;
volatile Method[] declaredMethods;
volatile Method[] publicMethods;
volatile Constructor<T>[] declaredConstructors;
volatile Constructor<T>[] publicConstructors;
// Intermediate results for getFields and getMethods
volatile Field[] declaredPublicFields;
volatile Method[] declaredPublicMethods;
volatile Class<?>[] interfaces;
// Cached names
String simpleName;
String canonicalName;
static final String NULL_SENTINEL = new String();
// Value of classRedefinedCount when we created this ReflectionData instance
final int redefinedCount;
}可以看到，保存了 Class 中的属性和方法。
如果缓存为空，就会通过 getDeclaredMethods0 从 JVM 中查找方法。
getDeclaredMethods0 是一个 native 方法，这里暂时先不看。
通过上面几个步骤，就获取到 Method 数组。
这就是 getMethod 方法的整个实现了。
我们再回过头看一下 getDeclaredMethod 方法的实现，通过 privateGetDeclaredMethods 获取方法以后，会通过 searchMethods 对方法进行筛选。
public Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
throws NoSuchMethodException, SecurityException {
// ...
Method method = searchMethods(privateGetDeclaredMethods(false), name, parameterTypes);
// ...
}searchMethods 方法实现比较简单，就是对比方法名，参数，方法返回值。
class Class {
private static Method searchMethods(Method[] methods,
String name,
Class<?>[] parameterTypes)
{
ReflectionFactory fact = getReflectionFactory();
Method res = null;
for (Method m : methods) {
// 比较方法名
if (m.getName().equals(name)
// 比较方法参数
&& arrayContentsEq(parameterTypes,
fact.getExecutableSharedParameterTypes(m))
// 比较返回值
&& (res == null
|| (res.getReturnType() != m.getReturnType()
&& res.getReturnType().isAssignableFrom(m.getReturnType()))))
res = m;
}
return res;
}
}在获取到对应方法以后，并不会直接返回，而是会通过 getReflectionFactory().copyMethod(method); 返回方法的一个拷贝。
最终调用的是 Method#copy，我们来看看其实现。
class Method {
Method copy() {
// This routine enables sharing of MethodAccessor objects
// among Method objects which refer to the same underlying
// method in the VM. (All of this contortion is only necessary
// because of the "accessibility" bit in AccessibleObject,
// which implicitly requires that new java.lang.reflect
// objects be fabricated for each reflective call on Class
// objects.)
if (this.root != null)
throw new IllegalArgumentException("Can not copy a non-root Method");
Method res = new Method(clazz, name, parameterTypes, returnType,
exceptionTypes, modifiers, slot, signature,
annotations, parameterAnnotations, annotationDefault);
res.root = this;
// Might as well eagerly propagate this if already present
res.methodAccessor = methodAccessor;
return res;
}
}会 new 一个 Method 实例并返回。
这里有两点要注意：
- 设置 root = this
- 会给 Method 设置 MethodAccessor，用于后面方法调用。也就是所有的 Method 的拷贝都会使用同一份 methodAccessor。
通过上面的步骤，就获取到了需要反射的方法。
我们再回顾一下之前的流程。
获取到方法以后，通过 Method#invoke 调用方法。
class Method {
public Object invoke(Object obj, Object... args)
throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
InvocationTargetException
{
if (!override) {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
// 1. 检查权限
checkAccess(caller, clazz,
Modifier.isStatic(modifiers) ? null : obj.getClass(),
modifiers);
}
// 2. 获取 MethodAccessor
MethodAccessor ma = methodAccessor; // read volatile
if (ma == null) {
// 创建 MethodAccessor
ma = acquireMethodAccessor();
}
// 3. 调用 MethodAccessor.invoke
return ma.invoke(obj, args);
}
}invoke 方法的实现，分为三步：
这里对 override 变量进行判断，如果 override == true，就跳过检查 我们通常在 Method#invoke 之前，会调用 Method#setAccessible(true)，就是设置 override 值为 true。
在上面获取 Method 的时候我们讲到过，Method#copy 会给 Method 的 methodAccessor 赋值。所以这里的 methodAccessor 就是拷贝时使用的 MethodAccessor。
如果 ma 为空，就去创建 MethodAccessor。
class Method {
private MethodAccessor acquireMethodAccessor() {
// First check to see if one has been created yet, and take it
// if so
MethodAccessor tmp = null;
if (root != null) tmp = root.getMethodAccessor();
if (tmp != null) {
methodAccessor = tmp;
} else {
// Otherwise fabricate one and propagate it up to the root
tmp = reflectionFactory.newMethodAccessor(this);
setMethodAccessor(tmp);
}
return tmp;
}
}这里会先查找 root 的 MethodAccessor，这里的 root 在上面 Method#copy 中设置过。
如果还是没有找到，就去创建 MethodAccessor。
class ReflectionFactory {
public MethodAccessor newMethodAccessor(Method method) {
// 其中会对 noInflation 进行赋值
checkInitted();
// ...
if (noInflation && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(method.getDeclaringClass())) {
// 生成的是 MethodAccessorImpl
return new MethodAccessorGenerator().
generateMethod(method.getDeclaringClass(),
method.getName(),
method.getParameterTypes(),
method.getReturnType(),
method.getExceptionTypes(),
method.getModifiers());
} else {
NativeMethodAccessorImpl acc =
new NativeMethodAccessorImpl(method);
DelegatingMethodAccessorImpl res =
new DelegatingMethodAccessorImpl(acc);
acc.setParent(res);
return res;
}
}
}这里可以看到，一共有三种 MethodAccessor。MethodAccessorImpl，NativeMethodAccessorImpl，DelegatingMethodAccessorImpl。
采用哪种 MethodAccessor 根据 noInflation 进行判断，noInflation 默认值为 false，只有指定了 sun.reflect.noInflation 属性为 true，才会 采用 MethodAccessorImpl。
所以默认会调用 NativeMethodAccessorImpl。
MethodAccessorImpl 是通过动态生成字节码来进行方法调用的，是 Java 版本的 MethodAccessor，字节码生成比较复杂，这里不放代码了。大家感兴趣可以看这里的 generate 方法。
DelegatingMethodAccessorImpl 就是单纯的代理，真正的实现还是 NativeMethodAccessorImpl。
class DelegatingMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
private MethodAccessorImpl delegate;
DelegatingMethodAccessorImpl(MethodAccessorImpl delegate) {
setDelegate(delegate);
}
public Object invoke(Object obj, Object[] args)
throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
return delegate.invoke(obj, args);
}
void setDelegate(MethodAccessorImpl delegate) {
this.delegate = delegate;
}
}NativeMethodAccessorImpl 是 Native 版本的 MethodAccessor 实现。
class NativeMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
public Object invoke(Object obj, Object[] args)
throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
// We can't inflate methods belonging to vm-anonymous classes because
// that kind of class can't be referred to by name, hence can't be
// found from the generated bytecode.
if (++numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold()
&& !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(method.getDeclaringClass())) {
// Java 版本的 MethodAccessor
MethodAccessorImpl acc = (MethodAccessorImpl)
new MethodAccessorGenerator().
generateMethod(method.getDeclaringClass(),
method.getName(),
method.getParameterTypes(),
method.getReturnType(),
method.getExceptionTypes(),
method.getModifiers());
parent.setDelegate(acc);
}
// Native 版本调用
return invoke0(method, obj, args);
}
private static native Object invoke0(Method m, Object obj, Object[] args);
}在 NativeMethodAccessorImpl 的实现中，我们可以看到，有一个 numInvocations 阀值控制，numInvocations 表示调用次数。如果 numInvocations 大于 15（默认阀值是 15），那么就使用 Java 版本的 MethodAccessorImpl。
为什么采用这个策略呢，可以 JDK 中的注释：
// "Inflation" mechanism. Loading bytecodes to implement
// Method.invoke() and Constructor.newInstance() currently costs
// 3-4x more than an invocation via native code for the first
// invocation (though subsequent invocations have been benchmarked
// to be over 20x faster). Unfortunately this cost increases
// startup time for certain applications that use reflection
// intensively (but only once per class) to bootstrap themselves.
// To avoid this penalty we reuse the existing JVM entry points
// for the first few invocations of Methods and Constructors and
// then switch to the bytecode-based implementations.
//
// Package-private to be accessible to NativeMethodAccessorImpl
// and NativeConstructorAccessorImpl
private static boolean noInflation = false;
Java 版本的 MethodAccessorImpl 调用效率比 Native 版本要快 20 倍以上，但是 Java 版本加载时要比 Native 多消耗 3-4 倍资源，所以默认会调用 Native 版本，如果调用次数超过 15 次以后，就会选择运行效率更高的 Java 版本。
那为什么 Native 版本运行效率会没有 Java 版本高呢？从 R 大博客来看，是因为 这是HotSpot的优化方式带来的性能特性，同时也是许多虚拟机的共同点：跨越native边界会对优化有阻碍作用，它就像个黑箱一样让虚拟机难以分析也将其内联，于是运行时间长了之后反而是托管版本的代码更快些。
在生成 MethodAccessor 以后，就调用其 invoke 方法进行最终的反射调用。
这里我们对 Java 版本的 MethodAccessorImpl 做个简单的分析，Native 版本暂时不做分析。
在前面我们提到过 MethodAccessorImpl 是通过 MethodAccessorGenerator#generate 生成动态字节码然后动态加载到 JVM 中的。
其中生成 invoke 方法字节码的是 MethodAccessorGenerator#emitInvoke。
我们看其中校验参数的一小段代码：
// Iterate through incoming actual parameters, ensuring that each
// is compatible with the formal parameter type, and pushing the
// actual on the operand stack (unboxing and widening if necessary).
// num args of other invoke bytecodes
for (int i = 0; i < parameterTypes.length; i++) {
// ...
if (isPrimitive(paramType)) {
// Unboxing code.
// Put parameter into temporary local variable
// astore_3 | astore_2
// ...
// repeat for all possible widening conversions:
// aload_3 | aload_2
// instanceof <primitive boxing type>
// ifeq <next unboxing label>
// aload_3 | aload_2
// checkcast <primitive boxing type> // Note: this is "redundant",
// // but necessary for the verifier
// invokevirtual <unboxing method>
// <widening conversion bytecode, if necessary>
// goto <next parameter label>
// <next unboxing label:> ...
// last unboxing label:
// new <IllegalArgumentException>
// dup
// invokespecial <IllegalArgumentException ctor>
// athrow
}
}通过上面的注释以及字节码，我们可以看到，生成的 invoke 方法，会对传入的参数做校验，其中会涉及到 unboxing 操作。
到此，基本上 Java 方法反射的原理就介绍完了。
了解了反射的原理以后，我们来分析一下反射效率低的原因。
我们可以看到，invoke 方法的参数是 Object[] 类型，也就是说，如果方法参数是简单类型的话，需要在此转化成 Object 类型，例如 long ,在 javac compile 的时候 用了Long.valueOf() 转型，也就大量了生成了Long 的 Object, 同时 传入的参数是Object[]数值,那还需要额外封装object数组。
而在上面 MethodAccessorGenerator#emitInvoke 方法里我们看到，生成的字节码时，会把参数数组拆解开来，把参数恢复到没有被 Object[] 包装前的样子，同时还要对参数做校验，这里就涉及到了解封操作。
因此，在反射调用的时候，因为封装和解封，产生了额外的不必要的内存浪费，当调用次数达到一定量的时候，还会导致 GC。
通过上面的源码分析，我们会发现，反射时每次调用都必须检查方法的可见性（在 Method.invoke 里）
反射时也必须检查每个实际参数与形式参数的类型匹配性（在NativeMethodAccessorImpl.invoke0 里或者生成的 Java 版 MethodAccessor.invoke 里）；
Method#invoke 就像是个独木桥一样，各处的反射调用都要挤过去，在调用点上收集到的类型信息就会很乱，影响内联程序的判断，使得 Method.invoke() 自身难以被内联到调用方。参见 https://www.iteye.com/blog/rednaxelafx-548536
在 JavaDoc 中提到：
Because reflection involves types that are dynamically resolved, certain Java virtual machine optimizations can not be performed. Consequently, reflective operations have slower performance than their non-reflective counterparts, and should be avoided in sections of code which are called frequently in performance-sensitive applications.
因为反射涉及到动态加载的类型，所以无法进行优化。
上面就是对反射原理和反射效率低的一些分析。
