Java反射原理及其性能优化

1. JVM是如何实现反射的?

反射是Java语言中的一种强大功能，它允许程序在运行时动态地获取类的信息以及操作对象。下面是一个简单的示例，演示了如何使用反射调用方法：

public class Solution {public static void show(int i) {new Exception("#" + i).printStackTrace();}public static void main(String[] args) throws Exception {Class<?> clazz = Class.forName("Solution");Method method = clazz.getMethod("show", int.class);method.invoke(null, 0);}
}

在上述代码中，我们使用Method.invoke来执行反射方法调用，并通过打印show方法的栈轨迹来观察调用的类。输出如下：

java.lang.Exception: #0at Solution.show(Solution.java:15)at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)at Solution.main(Solution.java:21)

首先我们看一下Method.invoke的实现：

public final class Method extends Executable {...public Object invoke(Object obj, Object... args) throws ... {... // 权限检查MethodAccessor ma = methodAccessor;if (ma == null) {ma = acquireMethodAccessor();}return ma.invoke(obj, args);}
}

可以看到，实际上它是委派给了MethodAccessor来处理。MethodAccessor是一个接口，具有两个具体实现：一个是通过本地方法（NativeMethodAccessorImpl）来实现的，称为本地实现；另一个是使用了委派模式（DelegatingMethodAccessorImpl），称为委派实现。

MethodAccessor实例的创建

MethodAccessor实例是在ReflectionFactory中创建的：

public class ReflectionFactory {...public MethodAccessor newMethodAccessor(Method method) {checkInitted();...if (noInflation && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(method.getDeclaringClass())) {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;}}
}

在第一次调用反射时，noInflation为false，这时会生成一个委派实现，而委派实现的具体实现便是一个本地实现。反射调用在进入Java虚拟机内部后，实际是调用目标方法的具体地址。

动态生成字节码的实现

Java的反射调用机制还设立了另一种动态生成字节码的实现（简称动态实现），直接使用invoke指令来调用目标方法。动态实现的运行效率要快20倍，因为它避免了Java到C++再到Java的切换，但由于生成字节码非常耗时，仅调用一次的话，本地实现反而要快3到4倍。

Java虚拟机设置了一个阈值15，当某个反射调用的次数在15之下时，采用本地实现；当达到15时，开始动态生成字节码并切换至动态实现，这个过程称为Inflation。

Inflation机制

NativeMethodAccessorImpl中每次invoke方法被调用时，都会增加一次计时器，并判断是否超过阈值，超过后调用MethodAccessorGenerator.generateMethod()生成Java版的MethodAccessor实现类，并改变DelegatingMethodAccessorImpl所引用的MethodAccessor为Java版。

小结

在默认情况下，方法的反射调用为委派实现，调用超过15次后，委派实现便会切换至动态实现，该动态实现的字节码是自动生成的，将直接使用invoke指令调用目标方法。可以通过参数-Dsun.reflect.noInflation=true来关闭Inflation机制，直接生成动态实现。

2. 反射的性能开销体现在哪里?

在上面的例子中，我们使用了Class.forName、Class.getMethod以及Method.invoke三个操作。其中Class.forName调用本地方法，Class.getMethod则遍历该类的公有方法，如果没有匹配到，还将遍历父类的公有方法。这两个操作都是非常耗时的。

需要注意的是，以getMethod为代表的查找方法操作，会返回查找结果的一份拷贝。因此，应避免在热点代码中使用返回Method数组的getMethods或getDeclaredMethods方法，以减少不必要的堆空间消耗。

在实践中，通常会在应用程序中缓存Class.forName和Class.getMethod的结果，因此下面我们只关注反射调用本身的性能开销。

public class ReflectDemo {public void doSth(int i) {}public static void main(String[] args) throws Exception {Class<?> clazz = ReflectDemo.class;Constructor constructor = clazz.getConstructor();Object object = constructor.newInstance();Method method = clazz.getMethod("doSth", int.class);ReflectDemo demo = new ReflectDemo();long current = System.currentTimeMillis();for (int i = 1; i <= 2_000_000_000; i++) {if (i % 100_000_000 == 0) {long temp = System.currentTimeMillis();System.out.println(temp - current);current = temp;}// 直接调用demo.doSth(2333);// 反射调用// method.invoke(object, 2333);}}
}

根据测试结果，一亿次的直接调用耗时为91.6ms，而反射调用耗时281.6ms，约为基准值的3.07倍。