Java反射实现原理

Java反射应用十分广泛，例如spring的核心功能控制反转IOC就是通过反射来实现的，本文主要研究一下发射方法调用的实现方式和反射对性能的影响。
如下为Method类中invoke方法，可以看出该方法实际是将反射方法的调用委派给MethodAccessor，通过MethodAccessor的invoke方法完成方法调用。该接口有两个现有的实现类，一个是直接调用本地方法，另一个是通过委派模式。Mehod的实例第一次调用都会生成一个委派实现，它实现的就是一个本地实现，相当于在Method和本地实现之间加了一个中间层，本地实现比较好理解，就是讲参数准备好，然后进入目标方法。通过如下代码进行一个简单的测试，通过打印的堆栈信息可以看出，Method实例的invoke方法首先调用的是委派实现DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法，最后调用本地实现。那么为什么会加上一个看似多余的中间委派层呢？实际上，java语言实现反射的方法除了本地实现之外，还会采用动态生成字节码的方式直接调用目标方法，运用委派模式的目的就是在本地实现和动态实现之间进行切换。

public class TestReflect {
    public static void target(int i) {
        new RuntimeException("让我们来看看方法调用栈").printStackTrace();
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class<?> klass = Class.forName("com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect");
        Method method = klass.getMethod("target", int.class);
        method.invoke(null, 128);
    }
}

方法调用栈如下所示

java.lang.RuntimeException: 让我们来看看方法调用栈
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.target(TestReflect.java:12)
    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 com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.main(TestReflect.java:47)

动态实现和本地实现相比，其运行效率是本地实现的20倍左右，但是第一次生成字节码是比较耗时的，所以仅单次调用的话，本地实现的性能反而是动态实现的3到4倍。JVM通过参数-Dsun.reflect.inflationThresHold来进行调整，默认是15次，即前15次调用会使用本地实现，15次之后会生成字节码，采用动态实现的方式。我们将方法的调用循环20次得到结果如下所示：

java.lang.RuntimeException: 让我们来看看第15次方法调用栈
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.target(TestReflect.java:12)
    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 com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.main(TestReflect.java:48)
java.lang.RuntimeException: 让我们来看看第16次方法调用栈
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.target(TestReflect.java:12)
    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 com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.main(TestReflect.java:48)
java.lang.RuntimeException: 让我们来看看第17次方法调用栈
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.target(TestReflect.java:12)
    at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.main(TestReflect.java:48)

在第十六次方法调用的过程中动态生成了字节码，并在第十七次方法调用的过程中就直接使用GenerateMethodAccessor1了。

一般都认为反射是比较消耗性能的，就连甲骨文关于反射的教学中也强调反射性能开销大的缺点。从上面的例子来看，Class.forName()需要调用本地方法，getMethod()方法需要遍历目标类的所有方法，如果没有匹配到还需要遍历父类的所有方法，这些都是比较消耗性能的操作，但是我们可以将它们的实例对象放在缓存中，来减小对性能的影响，这里我们主要讨论Method实例的invoke方法对性能的影响。我做了一个简单的实验来进行验证，将一个空方法直接调用20亿次，每1亿次打印一个该阶段的运行时间，取最后五次时间求取平均值（这样做的目的是为了得到预热峰值性能），在我32G内存的ThinkStation上面直接调用1亿次耗时90ms，通过反射调用平均耗时为300ms，约为直接调用的3.3倍。前文中介绍过动态实现和本地实现，由于本地实现比较消耗性能，通过-Dsun.reflect.noInflation=true来关闭本地实现直接使用动态实现，此时平均耗时为270ms，约为直接调用的3倍。此外方法调用时需要检查方法的权限，如果跳过权限检测过程，即设置method.setAccessible(true)，此时平均耗时为210ms，约为直接调用的2倍左右，至此我们可以看出对于反射的应用会对性能造成一定的影响，但是可以通过优化减小影响。那是不是为了性能就杜绝使用反射呢？显然不是，前文中提到IOC就是用反射实现的，类似接口和实现类，接口的使用也是对性能有影响的（虽然这个影响可以忽略不计，也许这个类比也不太确切），但是不能为了一点性能的提升而放弃优雅的设计模式。

public class TestReflect {
    public static void target(int i) {
        // 空方法
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //-Dsun.reflect.noInflation=true
        Class<?> klass = Class.forName("com.kafka.demo.com.kafka.demo.test..TestReflect");
        Method method = klass.getMethod("target", int.class);
        //method.setAccessible(true);
        LocalDateTime t1 = LocalDateTime.now();
        for (int i = 1; i <= 2_000_000_000; i++) {
            if (i % 100_000_000 == 0) {
                long temp = System.currentTimeMillis();
                System.out.println(Duration.between(t1, LocalDateTime.now()).toMillis());
                t1 = LocalDateTime.now();
            }
            //method.invoke(null, 128);
            target(128);
        }
    }
}