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預備知識
- 瞭解 Java 反射基本用法
看完本文可以達到什麼程度
- 瞭解 Java 反射原理及 Java 反射效率低的原因
文章概覽
我們在 Java 開發中，難免會接觸到反射，而在一些框架中，反射的運用更是常見。我相信，每次提到反射，大家的第一反應一定是反射效率低，儘量少使用。
但是反射的效率到底低多少？反射效率低的原因在哪裡？
這篇文章就來探索一下這些問題。
由於本機上安裝的是 openjdk 12，所以這裡就使用 openjdk 12 源碼進行分析。
我們先看結論，然後分析一下 Java 反射的原理，過程中大家可以根據結論，對源碼做一些思考，然後再根據原理中的一些實現，看看 Java 反射效率低的原因。
零、先放結論
Java 反射效率低主要原因是：
- Method#invoke 方法會對參數做封裝和解封操作
- 需要檢查方法可見性
- 需要校驗參數
- 反射方法難以內聯
- JIT 無法優化
一、Java 反射原理--獲取要反射的方法
1.1 反射的使用
我們先來看看 Java 反射使用的一段代碼：
我們在調用反射時，首先會創建 Class 對象，然後獲取其 Method 對象，調用 invoke 方法。
獲取反射方法時，有兩個方法，getMethod 和 getDeclaredMethod，我們就從這兩個方法開始，一步步看下反射的原理。
接下來就進入代碼分析，大家做好準備。
1.2 getMethod / getDeclaredMethod
這裡我們先整體看一下 getMethod 和 getDeclaredMethod 的實現。
從上面的代碼，我們可以看到，獲取方法的流程分三步走：
- 檢查方法權限
- 獲取方法 Method 對象
- 返回方法的拷貝
這裡主要有兩個區別：
- getMethod 中 checkMemberAccess 傳入的是 Member.PUBLIC，而 getDeclaredMethod 傳入的是 Member.DECLARED 這兩個值有什麼區別呢？我們看下代碼中的註釋：
註釋裡清楚的解釋了 PUBLIC 和 DECLARED 的不同，PUBLIC 會包括所有的 public 方法，包括父類的方法，而 DECLARED 會包括所有自己定義的方法，public，protected，private 都在此，但是不包括父類的方法。
這也正是 getMethod 和 getDeclaredMethod 的區別。
2. getMethod 中獲取方法調用的是 getMethod0，而 getDeclaredMethod 獲取方法調用的是 privateGetDeclaredMethods 關於這個區別，這裡簡單提及一下，後面具體分析代碼。
privateGetDeclaredMethods 是獲取類自身定義的方法，參數是 boolean publicOnly，表示是否只獲取公共方法。
private Method[] privateGetDeclaredMethods(boolean publicOnly) {
//...
}
而 getMethod0 會遞歸查找父類的方法，其中會調用到 privateGetDeclaredMethods 方法。
既然我們上面看了 getMethod 和 getDeclaredMethod 的區別，我們自然選擇 getMethod 方法進行分析，這樣可以走到整個流程。
1.3 getMethod 方法
getMethod 方法流程如下圖：
我們上面說到獲取方法分三步走：
- 檢查方法權限
- 獲取方法 Method 對象
- 返回方法的拷貝
我們先看看檢查方法權限做了些什麼事情。
1.3.1 checkMemberAccess
在這裡可以看到，對於非 Member.PUBLIC 的訪問，會增加一項檢測，SecurityManager.checkPermission(SecurityConstants.CHECK_MEMBER_ACCESS_PERMISSION); 這項檢測需要運行時申請 RuntimePermission("accessDeclaredMembers")。
這裡就不繼續往下看了，方法整體是在檢查是否可以訪問對象成員。
接著看下是如何獲取方法的 Method 對象。
1.3.2 getMethod0
這裡是通過 getMethodsRecursive 獲取到 MethodList 對象，然後通過 MethodList#getMostSpecific 方法篩選出對應的方法。 MethodList#getMOstSpecific 會篩選返回值類型最為具體的方法，至於為什麼會有返回值的區別，後面會講到。
（這裡的具體，指的是有兩個方法，返回值分別是 Child 和 Parent，Child 繼承自 Parent，這裡會篩選出返回值為 Child 的方法）。
接著看 getMethodsRecursive 方法，是如何獲取方法的。
1.3.3 getMethodsRecursive
這裡獲取方法有四個步驟：
- 通過 privateGetDeclaredMethods 獲取自己所有的 public 方法
- 通過 MethodList#filter 查找 方法名，參數相同的方法，如果找到，直接返回
- 如果自己沒有實現對應的方法，就去父類中查找對應的方法
- 查找接口中對應的方法
通過上面四個步驟，最終獲取到的是一個 MethodList 對象，是一個鏈表結點，其 next 指向下一個結點。也就是說，這裡獲取到的 Method 會有多個。
這裡稍微解釋一下，在我們平時編寫 Java 代碼時，同一個類是不能有方法名和方法參數都相同的方法的，而實際上，在 JVM 中，一個方法簽名是和 返回值，方法名，方法參數 三者相關的。 也就是說，在 JVM 中，可以存在 方法名和方法參數都相同，但是返回值不同的方法。
所以這裡返回的是一個方法鏈表。
所以上面最終返回方法時會通過 MethodList#getMostSpecific 進行返回值的篩選，篩選出返回值類型最具體的方法。
這裡我們先暫停回顧一下整體的調用鏈路：
getMethod -> getMethod0 -> getMethodsRecursive -> privateGetDeclaredMethods
通過函數調用，最終會調用到 privateGetDeclaredMethods 方法，也就是真正獲取方法的地方。
1.3.4 privateGetDeclaredMethods
在 privateGetDeclaredMethods 獲取方法時，有兩個步驟：
- relectionData 通過緩存獲取
- 如果緩存沒有命中的話，通過 getDeclaredMethods0 獲取方法
先看看 relectionData 方法：
在 Class 中會維護一個 ReflectionData 的軟引用，作為反射數據的緩存。
ReflectionData 結構如下：
可以看到，保存了 Class 中的屬性和方法。 如果緩存為空，就會通過 getDeclaredMethods0 從 JVM 中查找方法。
getDeclaredMethods0 是一個 native 方法，這裡暫時先不看。
通過上面幾個步驟，就獲取到 Method 數組。
這就是 getMethod 方法的整個實現了。
我們再回過頭看一下 getDeclaredMethod 方法的實現，通過 privateGetDeclaredMethods 獲取方法以後，會通過 searchMethods 對方法進行篩選。
searchMethods 方法實現比較簡單，就是對比方法名，參數，方法返回值。
1.3.5 Method#copy
在獲取到對應方法以後，並不會直接返回，而是會通過 getReflectionFactory().copyMethod(method); 返回方法的一個拷貝。
最終調用的是 Method#copy，我們來看看其實現。
會 new 一個 Method 實例並返回。
這裡有兩點要注意：
- 設置 root = this
- 會給 Method 設置 MethodAccessor，用於後面方法調用。也就是所有的 Method 的拷貝都會使用同一份 methodAccessor。
通過上面的步驟，就獲取到了需要反射的方法。
我們再回顧一下之前的流程。
二、Java 反射原理--調用反射方法
獲取到方法以後，通過 Method#invoke 調用方法。
invoke 方法的實現，分為三步：
2.1 檢查是否有權限調用方法
這裡對 override 變量進行判斷，如果 override == true，就跳過檢查 我們通常在 Method#invoke 之前，會調用 Method#setAccessible(true)，就是設置 override 值為 true。
2.2 獲取 MethodAccessor
在上面獲取 Method 的時候我們講到過，Method#copy 會給 Method 的 methodAccessor 賦值。所以這裡的 methodAccessor 就是拷貝時使用的 MethodAccessor。
如果 ma 為空，就去創建 MethodAccessor。
這裡會先查找 root 的 MethodAccessor，這裡的 root 在上面 Method#copy 中設置過。
如果還是沒有找到，就去創建 MethodAccessor。
這裡可以看到，一共有三種 MethodAccessor。MethodAccessorImpl，NativeMethodAccessorImpl，DelegatingMethodAccessorImpl。
採用哪種 MethodAccessor 根據 noInflation 進行判斷，noInflation 默認值為 false，只有指定了 sun.reflect.noInflation 屬性為 true，才會 採用 MethodAccessorImpl。
所以默認會調用 NativeMethodAccessorImpl。
MethodAccessorImpl 是通過動態生成字節碼來進行方法調用的，是 Java 版本的 MethodAccessor，字節碼生成比較複雜，這裡不放代碼了。大家感興趣可以看這裡的 generate 方法。
DelegatingMethodAccessorImpl 就是單純的代理，真正的實現還是 NativeMethodAccessorImpl。
NativeMethodAccessorImpl 是 Native 版本的 MethodAccessor 實現。
在 NativeMethodAccessorImpl 的實現中，我們可以看到，有一個 numInvocations 閥值控制，numInvocations 表示調用次數。如果 numInvocations 大於 15（默認閥值是 15），那麼就使用 Java 版本的 MethodAccessorImpl。
為什麼採用這個策略呢，可以 JDK 中的註釋：
Java 版本的 MethodAccessorImpl 調用效率比 Native 版本要快 20 倍以上，但是 Java 版本加載時要比 Native 多消耗 3-4 倍資源，所以默認會調用 Native 版本，如果調用次數超過 15 次以後，就會選擇運行效率更高的 Java 版本。
那為什麼 Native 版本運行效率會沒有 Java 版本高呢？從 R 大博客來看，是因為 這是HotSpot的優化方式帶來的性能特性，同時也是許多虛擬機的共同點：跨越native邊界會對優化有阻礙作用，它就像個黑箱一樣讓虛擬機難以分析也將其內聯，於是運行時間長了之後反而是託管版本的代碼更快些。
2.3 調用 MethodAccessor#invoke 實現方法的調用
在生成 MethodAccessor 以後，就調用其 invoke 方法進行最終的反射調用。
這裡我們對 Java 版本的 MethodAccessorImpl 做個簡單的分析，Native 版本暫時不做分析。
在前面我們提到過 MethodAccessorImpl 是通過 MethodAccessorGenerator#generate 生成動態字節碼然後動態加載到 JVM 中的。
其中生成 invoke 方法字節碼的是 MethodAccessorGenerator#emitInvoke。
我們看其中校驗參數的一小段代碼：
通過上面的註釋以及字節碼，我們可以看到，生成的 invoke 方法，會對傳入的參數做校驗，其中會涉及到 unboxing 操作。
到此，基本上 Java 方法反射的原理就介紹完了。
三、Java 反射效率低的原因
瞭解了反射的原理以後，我們來分析一下反射效率低的原因。
1. Method#invoke 方法會對參數做封裝和解封操作
我們可以看到，invoke 方法的參數是 Object[] 類型，也就是說，如果方法參數是簡單類型的話，需要在此轉化成 Object 類型，例如 long ,在 javac compile 的時候 用了Long.valueOf() 轉型，也就大量了生成了Long 的 Object, 同時 傳入的參數是Object[]數值,那還需要額外封裝object數組。
而在上面 MethodAccessorGenerator#emitInvoke 方法裡我們看到，生成的字節碼時，會把參數數組拆解開來，把參數恢復到沒有被 Object[] 包裝前的樣子，同時還要對參數做校驗，這裡就涉及到了解封操作。
因此，在反射調用的時候，因為封裝和解封，產生了額外的不必要的內存浪費，當調用次數達到一定量的時候，還會導致 GC。
2. 需要檢查方法可見性
通過上面的源碼分析，我們會發現，反射時每次調用都必須檢查方法的可見性（在 Method.invoke 裡）
3. 需要校驗參數
反射時也必須檢查每個實際參數與形式參數的類型匹配性（在NativeMethodAccessorImpl.invoke0 裡或者生成的 Java 版 MethodAccessor.invoke 裡）；
4. 反射方法難以內聯
Method#invoke 就像是個獨木橋一樣，各處的反射調用都要擠過去，在調用點上收集到的類型信息就會很亂，影響內聯程序的判斷，使得 Method.invoke() 自身難以被內聯到調用方。參見 www.iteye.com/blog/rednax…
5. JIT 無法優化
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.
因為反射涉及到動態加載的類型，所以無法進行優化。
總結
上面就是對反射原理和反射效率低的一些分析。
來源：掘金 鏈接：https://juejin.im/post/5da33b2351882509334fc0d3
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