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: #0
    at 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。

性能开销来源

反射调用的性能开销主要来自以下几个方面：

方法表查找
构建Object数组以及可能存在的自动装拆箱操作
运行时权限检查
可能没有方法内联/逃逸分析

3. 如何优化反射性能开销?

反射性能优化策略：

尽量避免反射调用虚方法：虚方法调用的性能开销更大。
关闭运行时权限检查 ：使用setAccessible(true)可以提升性能。
扩大基本数据类型对应的包装类缓存 ：可通过参数-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=128来实现。
关闭Inflation机制：直接动态生成字节码。
提高JVM关于每个调用能够记录的类型数目 ：通过虚拟机参数-XX:TypeProfileWidth设置更大的值。

通过上述方法，可以有效减少反射调用的性能开销，提高程序的整体性能。在实际开发中，根据具体场景灵活应用这些优化策略，可以显著提升反射操作的效率。