Java反射及性能详细

2024-04-02 19:55

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我们今天不探讨框架层面的内容，暂且认为90%的框架不存在无法容忍的性能问题。在做系统调优的过程中，面对随处可见的invoke调用，我的内心其实是比较抵触的，倒不是说反射怎么不好，对于优雅的源码来说，反射必不可少，个人抵触的原因主要是因为反射把真实的方法“隐藏”的很好，面对长长的线程栈比较头大而已。而且我心里一直有个大大的问号，反射到底存在哪些性能问题。

带着这个疑惑，基于java最基本的反射使用，通过查看资料及源码阅读，有如下的总结和分享，欢迎交流和指正。

一、准备

注：本案例针对JDK1.8

测试代码：


【TestRef.java】
public class TestRef {
 
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("com.allen.commons.entity.CommonTestEntity");
            Object refTest = clazz.newInstance();
            Method method = clazz.getMethod("defaultMethod");
            //Method method1 = clazz.getDeclaredMethod("defaultMethod");
            method.invoke(refTest);
        } catch (ClassNotFoundException | InstantiationException | IllegalAccessException | NoSuchMethodException | InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        }
 
    }
}
---------------------------------------------------------------------------------------
【CommonTestEntity.java】
public class CommonTestEntity {
 
    static {
        System.out.println("CommonTestEntity执行类加载...");
    }
 
    public CommonTestEntity() {
        System.out.println(this.getClass() + " ｜ CommonTestEntity实例初始化 | " + this.getClass().getClassLoader());
    }
 
    public void defaultMethod() {
        System.out.println("执行实例方法：defaultMethod");
    }
}

二、反射调用流程

1.反射的使用

1)创建class对象（类加载，使用当前方法所在类的ClassLoader来加载）
2)获取Method对象（getMethod 和 getDeclaredMethod）
3)调用invoke方法

2.getMethod 和 getDeclaredMethod区别

getMethod源码如下：


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
        return method;
    }
---------------------------------------------------------------------------------------
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
        return method;
}

获取方法的流程分三步走：

a.检查方法权限
b.获取方法 Method 对象
c.返回方法

主要有两个区别：

1.getMethod 中 checkMemberAccess 传入的是 Member.PUBLIC，而 getDeclaredMethod 传入的是 Member.DECLARED 。

代码中的注释：

注释里解释了 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。

2.getMethod 中获取方法调用的是 getMethod0，而 getDeclaredMethod 获取方法调用的是 privateGetDeclaredMethods 。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。

privateGetDeclaredMethods 源码如下：


// Returns an array of "root" methods. These Method objects must NOT
    // be propagated to the outside world, but must instead be copied
    // via ReflectionFactory.copyMethod.
    private Method[] privateGetDeclaredMethods(boolean publicOnly) {
        checkInitted();
        Method[] res;
        ReflectionData<T> rd = reflectionData();
        if (rd != null) {
            res = publicOnly ? rd.declaredPublicMethods : rd.declaredMethods;
            if (res != null) return res;
        }
        // No cached value available; request value from VM
        res = Reflection.filterMethods(this, getDeclaredMethods0(publicOnly));
        if (rd != null) {
            if (publicOnly) {
                rd.declaredPublicMethods = res;
            } else {
                rd.declaredMethods = res;
            }
        }
        return res;
    }

①relectionData 通过缓存获取

②如果缓存没有命中的话，通过 getDeclaredMethods0 获取方法

getMethod0源码如下：


private Method getMethod0(String name, Class<?>[] parameterTypes, boolean includeStaticMethods) {
        MethodArray interfaceCandidates = new MethodArray(2);
        Method res =  privateGetMethodRecursive(name, parameterTypes, includeStaticMethods, interfaceCandidates);
        if (res != null)
            return res;
 
        // Not found on class or superclass directly
        interfaceCandidates.removeLessSpecifics();
        return interfaceCandidates.getFirst(); // may be null
    }

其中privateGetMethodRecursive方法中也会调用到privateGetDeclaredMethods方法和searchMethods方法

3.getMethod 方法流程

图片2.png

4.getDeclaredMethod方法流程

图片3.png

三、调用反射方法

invoke源码：


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);
    }
}

Method.invoke()实际上并不是自己实现的反射调用逻辑，而是委托给sun.reflect.MethodAccessor来处理。

每个实际的Java方法只有一个对应的Method对象作为root（实质上就是Method类的一个成员变量）。每次在通过反射获取Method对象时新创建Method对象把root封装起来。在第一次调用一个实际Java方法对应得Method对象的invoke()方法之前，实现调用逻辑的MethodAccessor对象是第一次调用时才会新建并更新给root，然后调用MethodAccessor.invoke()真正完成反射调用。

MethodAccessor只是单方法接口，其invoke()方法与Method.invoke()的对应。创建MethodAccessor实例的是ReflectionFactory。

MethodAccessor实现有两个版本，一个是Java实现的，另一个是native code实现的。

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。

Native版本中的阈值（静态常量）

图片4.png

四、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（8中基本数据类型）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

checkAccess方法

3.需要遍历方法并校验参数

PrivateGetMethodRecursive中的searhMethod

4.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.