Java 反射效率低分析

gnn

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

一、Java 反射原理--获取要反射的方法

1.1 反射的使用

我们先来看看 Java 反射使用的一段代码：

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。

1.2 getMethod / getDeclaredMethod

这里我们先整体看一下 getMethod 和 getDeclaredMethod 的实现。

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：

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。

1.3 getMethod 方法

getMethod 方法流程如下图：

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。

1.3.1 checkMemberAccess

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。

1.3.2 getMethod0

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。

1.3.3 getMethodsRecursive

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。

1.3.4 privateGetDeclaredMethods

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：

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：

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。

searchMethods 方法实现比较简单，就是对比方法名，参数，方法返回值。

1.3.5 Method#copy

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。

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。

二、Java 反射原理--调用反射方法

获取到方法以后，通过 Method#invoke 调用方法。

invoke 方法的实现，分为三步：

2.1 检查是否有权限调用方法

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。

2.2 获取 MethodAccessor

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。

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。

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。

NativeMethodAccessorImpl 是 Native 版本的 MethodAccessor 实现。

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：

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。

2.3 调用 MethodAccessor#invoke 实现方法的调用

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：

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。

三、Java 反射效率低的原因

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。

1. Method#invoke 方法会对参数做封装和解封操作

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。

2. 需要检查方法可见性

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）

3. 需要校验参数

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）；

4. 反射方法难以内联

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 www.iteye.com/blog/rednax…

5. JIT 无法优化

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。

总结

上面就是对反射原理和反射效率低的一些分析。