JVM总结-反射

反射是 Java 语言中一个相当重要的特性，它允许正在运行的 Java 程序观测，甚至是修改程序的动态行为。

在 Web 开发中，我们经常能够接触到各种可配置的通用框架。为了保证框架的可扩展性，它们往往借助 Java 的反射机制，根据配置文件来加载不同的类。举例来说，Spring 框架的依赖反转（IoC），便是依赖于反射机制。

然而，我相信不少开发人员都嫌弃反射机制比较慢。甚至是甲骨文关于反射的教学网页 [1]，也强调了反射性能开销大的缺点。

反射调用的实现

首先，我们来看看方法的反射调用，也就是 Method.invoke，是怎么实现的。

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);
  }
}

如果你查阅 Method.invoke 的源代码，那么你会发现，它实际上委派给 MethodAccessor 来处理。MethodAccessor 是一个接口，它有两个已有的具体实现：一个通过本地方法来实现反射调用，另一个则使用了委派模式。为了方便记忆，我便用“本地实现”和“委派实现”来指代这两者。

每个 Method 实例的第一次反射调用都会生成一个委派实现，它所委派的具体实现便是一个本地实现。本地实现非常容易理解。当进入了 Java 虚拟机内部之后，我们便拥有了 Method 实例所指向方法的具体地址。这时候，反射调用无非就是将传入的参数准备好，然后调用进入目标方法。

// v0 版本
import java.lang.reflect.Method;

public class Test {
  public static void target(int i) {
    new Exception("#" + i).printStackTrace();
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class<?> klass = Class.forName("Test");
    Method method = klass.getMethod("target", int.class);
    method.invoke(null, 0);
  }
}

# 不同版本的输出略有不同，这里我使用了 Java 10。
$ java Test
java.lang.Exception: #0
        at Test.target(Test.java:5)
        at java.base/jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl .invoke0(Native Method)
 a      t java.base/jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl. .invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
 t       java.base/jdk.internal.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.i .invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
        java.base/java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:564)
  t        Test.main(Test.java:131

为了方便理解，我们可以打印一下反射调用到目标方法时的栈轨迹。在上面的 v0 版本代码中，我们获取了一个指向 Test.target 方法的 Method 对象，并且用它来进行反射调用。在 Test.target 中，我会打印出栈轨迹。

可以看到，反射调用先是调用了 Method.invoke，然后进入委派实现（DelegatingMethodAccessorImpl），再然后进入本地实现（NativeMethodAccessorImpl），最后到达目标方法。

这里你可能会疑问，为什么反射调用还要采取委派实现作为中间层？直接交给本地实现不可以么？

其实，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（下称动态实现），直接使用 invoke 指令来调用目标方法。之所以采用委派实现，便是为了能够在本地实现以及动态实现中切换。

// 动态实现的伪代码，这里只列举了关键的调用逻辑，其实它还包括调用者检测、参数检测的字节码。
package jdk.internal.reflect;

public class GeneratedMethodAccessor1 extends ... {
  @Overrides
  public Object invoke(Object obj, Object[] args) throws ... {
    Test.target((int) args[0]);
    return null;
  }
}

动态实现和本地实现相比，其运行效率要快上 20 倍 [2] 。这是因为动态实现无需经过 Java 到 C++ 再到 Java 的切换，但由于生成字节码十分耗时，仅调用一次的话，反而是本地实现要快上 3 到 4 倍 [3]。

考虑到许多反射调用仅会执行一次，Java 虚拟机设置了一个阈值 15（可以通过 -Dsun.reflect.inflationThreshold= 来调整），当某个反射调用的调用次数在 15 之下时，采用本地实现；当达到 15 时，便开始动态生成字节码，并将委派实现的委派对象切换至动态实现，这个过程我们称之为 Inflation。

为了观察这个过程，我将刚才的例子更改为下面的 v1 版本。它会将反射调用循环 20 次。

// v1 版本
import java.lang.reflect.Method;

public class Test {
  public static void target(int i) {
    new Exception("#" + i).printStackTrace();
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class<?> klass = Class.forName("Test");
    Method method = klass.getMethod("target", int.class);
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
      method.invoke(null, i);
    }
  }
}

# 使用 -verbose:class 打印加载的类
$ java -verbose:class Test
...
java.lang.Exception: #14
        at Test.target(Test.java:5)
        at java.base/jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl .invoke0(Native Method)
        at java.base/jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl .invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
        at java.base/jdk.internal.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl .invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
        at java.base/java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:564)
        at Test.main(Test.java:12)
[0.158s][info][class,load] ...
...
[0.160s][info][class,load] jdk.internal.reflect.GeneratedMethodAccessor1 source: __JVM_DefineClass__
java.lang.Exception: #15
       at Test.target(Test.java:5)
       at java.base/jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl .invoke0(Native Method)
       at java.base/jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl .invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
       at java.base/jdk.internal.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl .invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
       at java.base/java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:564)
       at Test.main(Test.java:12)
java.lang.Exception: #16
       at Test.target(Test.java:5)
       at jdk.internal.reflect.GeneratedMethodAccessor1 .invoke(Unknown Source)
       at java.base/jdk.internal.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl .invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
       at java.base/java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:564)
       at Test.main(Test.java:12)
...

可以看到，在第 15 次（从 0 开始数）反射调用时，我们便触发了动态实现的生成。这时候，Java 虚拟机额外加载了不少类。其中，最重要的当属 GeneratedMethodAccessor1（第 30 行）。并且，从第 16 次反射调用开始，我们便切换至这个刚刚生成的动态实现（第 40 行）。

反射调用的 Inflation 机制是可以通过参数（-Dsun.reflect.noInflation=true）来关闭的。这样一来，在反射调用一开始便会直接生成动态实现，而不会使用委派实现或者本地实现。

反射调用的开销

下面，我们便来拆解反射调用的性能开销。

在刚才的例子中，我们先后进行了 Class.forName，Class.getMethod 以及 Method.invoke 三个操作。其中，Class.forName 会调用本地方法，Class.getMethod 则会遍历该类的公有方法。如果没有匹配到，它还将遍历父类的公有方法。可想而知，这两个操作都非常费时。

值得注意的是，以 getMethod 为代表的查找方法操作，会返回查找得到结果的一份拷贝。因此，我们应当避免在热点代码中使用返回 Method 数组的 getMethods 或者 getDeclaredMethods 方法，以减少不必要的堆空间消耗。

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

为了比较直接调用和反射调用的性能差距，我将前面的例子改为下面的 v2 版本。它会将反射调用循环二十亿次。此外，它还将记录下每跑一亿次的时间。

我将取最后五个记录的平均值，作为预热后的峰值性能。（注：这种性能评估方式并不严谨，我会在专栏的第三部分介绍如何用 JMH 来测性能。）

在我这个老笔记本上，一亿次直接调用耗费的时间大约在 120ms。这和不调用的时间是一致的。其原因在于这段代码属于热循环，同样会触发即时编译。并且，即时编译会将对 Test.target 的调用内联进来，从而消除了调用的开销。

// v2 版本
mport java.lang.reflect.Method;

public class Test {
  public static void target(int i) {
    // 空方法
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class<?> klass = Class.forName("Test");
    Method method = klass.getMethod("target", int.class);

    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;
      }

      method.invoke(null, 128);
    }
  }
}

这里我截取了循环中反射调用编译而成的字节码。可以看到，这段字节码除了反射调用外，还额外做了两个操作。

第一，由于 Method.invoke 是一个变长参数方法，在字节码层面它的最后一个参数会是 Object 数组（感兴趣的同学私下可以用 javap 查看）。Java 编译器会在方法调用处生成一个长度为传入参数数量的 Object 数组，并将传入参数一一存储进该数组中。

第二，由于 Object 数组不能存储基本类型，Java 编译器会对传入的基本类型参数进行自动装箱。

这两个操作除了带来性能开销外，还可能占用堆内存，使得 GC 更加频繁。（如果你感兴趣的话，可以用虚拟机参数 -XX:+PrintGC 试试。）那么，如何消除这部分开销呢？

关于第二个自动装箱，Java 缓存了 [-128, 127] 中所有整数所对应的 Integer 对象。当需要自动装箱的整数在这个范围之内时，便返回缓存的 Integer，否则需要新建一个 Integer 对象。

因此，我们可以将这个缓存的范围扩大至覆盖 128（对应参数
-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=128），便可以避免需要新建 Integer 对象的场景。

或者，我们可以在循环外缓存 128 自动装箱得到的 Integer 对象，并且直接传入反射调用中。这两种方法测得的结果差不多，约为基准的 1.8 倍。

现在我们再回来看看第一个因变长参数而自动生成的 Object 数组。既然每个反射调用对应的参数个数是固定的，那么我们可以选择在循环外新建一个 Object 数组，设置好参数，并直接交给反射调用。改好的代码可以参照文稿中的 v3 版本。

// v3 版本
import java.lang.reflect.Method;

public class Test {
  public static void target(int i) {
    // 空方法
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class<?> klass = Class.forName("Test");
    Method method = klass.getMethod("target", int.class);

    Object[] arg = new Object[1]; // 在循环外构造参数数组
    arg[0] = 128;

    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;
      }

      method.invoke(null, arg);
    }
  }
}

测得的结果反而更糟糕了，为基准的 2.9 倍。这是为什么呢？

如果你在上一步解决了自动装箱之后查看运行时的 GC 状况，你会发现这段程序并不会触发 GC。其原因在于，原本的反射调用被内联了，从而使得即时编译器中的逃逸分析将原本新建的 Object 数组判定为不逃逸的对象。

如果一个对象不逃逸，那么即时编译器可以选择栈分配甚至是虚拟分配，也就是不占用堆空间。具体我会在本专栏的第二部分详细解释。

如果在循环外新建数组，即时编译器无法确定这个数组会不会中途被更改，因此无法优化掉访问数组的操作，可谓是得不偿失。

到目前为止，我们的最好记录是 1.8 倍。那能不能再进一步提升呢？

刚才我曾提到，可以关闭反射调用的 Inflation 机制，从而取消委派实现，并且直接使用动态实现。此外，每次反射调用都会检查目标方法的权限，而这个检查同样可以在 Java 代码里关闭，在关闭了这两项机制之后，也就得到了我们的 v4 版本，它测得的结果约为基准的 1.3 倍。

// v4 版本
import java.lang.reflect.Method;

// 在运行指令中添加如下两个虚拟机参数：
// -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=128
// -Dsun.reflect.noInflation=true
public class Test {
  public static void target(int i) {
    // 空方法
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class<?> klass = Class.forName("Test");
    Method method = klass.getMethod("target", int.class);
    method.setAccessible(true);  // 关闭权限检查

    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;
      }

      method.invoke(null, 128);
    }
  }
}

总结与实践

今天我介绍了 Java 里的反射机制。

在默认情况下，方法的反射调用为委派实现，委派给本地实现来进行方法调用。在调用超过 15 次之后，委派实现便会将委派对象切换至动态实现。这个动态实现的字节码是自动生成的，它将直接使用 invoke 指令来调用目标方法。

方法的反射调用会带来不少性能开销，原因主要有三个：变长参数方法导致的 Object 数组，基本类型的自动装箱、拆箱，还有最重要的方法内联。