大家都说 Java 反射效率低，你有知道这个原因？

Posted 2021-06-28 Java_Pluto

预备知识

了解 Java 反射基本用法

看完本文可以达到什么程度

了解 Java 反射原理及 Java 反射效率低的原因

文章概览

我们在 Java 开发中，难免会接触到反射，而在一些框架中，反射的运用更是常见。我相信，每次提到反射，大家的第一反应一定是反射效率低，尽量少使用。
但是反射的效率到底低多少？反射效率低的原因在哪里？
这篇文章就来探索一下这些问题。
由于本机上安装的是 openjdk 12，所以这里就使用 openjdk 12 源码进行分析。

我们先看结论，然后分析一下 Java 反射的原理，过程中大家可以根据结论，对源码做一些思考，然后再根据原理中的一些实现，看看 Java 反射效率低的原因。

零、先放结论
Java 反射效率低主要原因是：

1. Method#invoke 方法会对参数做封装和解封操作
2. 需要检查方法可见性
3. 需要校验参数
4. 反射方法难以内联
5. JIT 无法优化

一、Java 反射原理–获取要反射的方法

1.1 反射的使用

我们先来看看 Java 反射使用的一段代码：

public class RefTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Class clazz = Class.forName("com.zy.java.RefTest");
            Object refTest = clazz.newInstance();
            Method method = clazz.getDeclaredMethod("refMethod");
            method.invoke(refTest);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void refMethod() {
    }
}

我们在调用反射时，首先会创建 Class 对象，然后获取其 Method 对象，调用 invoke 方法。
获取反射方法时，有两个方法，getMethod 和 getDeclaredMethod，我们就从这两个方法开始，一步步看下反射的原理。
接下来就进入代码分析，大家做好准备。

1.2 getMethod / getDeclaredMethod

这里我们先整体看一下 getMethod 和 getDeclaredMethod 的实现。

class Class {
    @CallerSensitive
    public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
        throws NoSuchMethodException, SecurityException {
        Objects.requireNonNull(name);
        SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            // 1. 检查方法权限
            checkMemberAccess(sm, Member.PUBLIC, Reflection.getCallerClass(), true);
        }
        // 2. 获取方法
        Method method = getMethod0(name, parameterTypes);
        if (method == null) {
            throw new NoSuchMethodException(methodToString(name, parameterTypes));
        }
        // 3. 返回方法的拷贝
        return getReflectionFactory().copyMethod(method);
    }

    @CallerSensitive
    public Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
        throws NoSuchMethodException, SecurityException {
        Objects.requireNonNull(name);
        SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            // 1. 检查方法是权限
            checkMemberAccess(sm, Member.DECLARED, Reflection.getCallerClass(), true);
        }
        // 2. 获取方法
        Method method = searchMethods(privateGetDeclaredMethods(false), name, parameterTypes);
        if (method == null) {
            throw new NoSuchMethodException(methodToString(name, parameterTypes));
        }
        // 3. 返回方法的拷贝
        return getReflectionFactory().copyMethod(method);
    }
}

从上面的代码，我们可以看到，获取方法的流程分三步走：

1. 检查方法权限
2. 获取方法 Method 对象
3. 返回方法的拷贝

这里主要有两个区别：

1. getMethod 中 checkMemberAccess 传入的是 Member.PUBLIC，而 getDeclaredMethod
   传入的是 Member.DECLARED这两个值有什么区别呢？我们看下代码中的注释：

interface Member {
    /**
     * Identifies the set of all public members of a class or interface,
     * including inherited members.
     */
    public static final int PUBLIC = 0;

    /**
     * Identifies the set of declared members of a class or interface.
     * Inherited members are not included.
     */
    public static final int DECLARED = 1;
}

注释里清楚的解释了 PUBLIC 和 DECLARED 的不同，PUBLIC 会包括所有的 public 方法，包括父类的方法，而 DECLARED 会包括所有自己定义的方法，public，protected，private 都在此，但是不包括父类的方法。
这也正是 getMethod 和 getDeclaredMethod 的区别。

2. getMethod 中获取方法调用的是 getMethod0，而 getDeclaredMethod 获取方法调用的是 privateGetDeclaredMethods关于这个区别，这里简单提及一下，后面具体分析代码。
   privateGetDeclaredMethods 是获取类自身定义的方法，参数是 boolean publicOnly，表示是否只获取公共方法。

private Method[] privateGetDeclaredMethods(boolean publicOnly) {
    //...
}

而 getMethod0 会递归查找父类的方法，其中会调用到 privateGetDeclaredMethods 方法。
既然我们上面看了 getMethod 和 getDeclaredMethod 的区别，我们自然选择 getMethod 方法进行分析，这样可以走到整个流程。

1.3 getMethod 方法

getMethod 方法流程如下图：

class Class {
    public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
        throws NoSuchMethodException, SecurityException {
        Objects.requireNonNull(name);
        SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            // 1. 检查方法权限
            checkMemberAccess(sm, Member.PUBLIC, Reflection.getCallerClass(), true);
        }
        // 2. 获取方法 Method 对象
        Method method = getMethod0(name, parameterTypes);
        if (method == null) {
            throw new NoSuchMethodException(methodToString(name, parameterTypes));
        }
        // 3. 返回方法拷贝
        return getReflectionFactory().copyMethod(method);
    }
}

我们上面说到获取方法分三步走：

1. 检查方法权限
2. 获取方法 Method 对象
3. 返回方法的拷贝

我们先看看检查方法权限做了些什么事情。

1.3.1 checkMemberAccess

class Class {
    private void checkMemberAccess(SecurityManager sm, int which,
                                   Class<?> caller, boolean checkProxyInterfaces) {
        /* Default policy allows access to all {@link Member#PUBLIC} members,
         * as well as access to classes that have the same class loader as the caller.
         * In all other cases, it requires RuntimePermission("accessDeclaredMembers")
         * permission.
         */
        final ClassLoader ccl = ClassLoader.getClassLoader(caller);
        if (which != Member.PUBLIC) {
            final ClassLoader cl = getClassLoader0();
            if (ccl != cl) {
                sm.checkPermission(SecurityConstants.CHECK_MEMBER_ACCESS_PERMISSION);
            }
        }
        this.checkPackageAccess(sm, ccl, checkProxyInterfaces);
    }
}

在这里可以看到，对于非 Member.PUBLIC 的访问，会增加一项检测，SecurityManager.checkPermission(SecurityConstants.CHECK_MEMBER_ACCESS_PERMISSION); 这项检测需要运行时申请 RuntimePermission(“accessDeclaredMembers”)。
这里就不继续往下看了，方法整体是在检查是否可以访问对象成员。
接着看下是如何获取方法的 Method 对象。

1.3.2 getMethod0

class Class {
    private Method getMethod0(String name, Class<?>[] parameterTypes) {
        PublicMethods.MethodList res = getMethodsRecursive(
            name,
            parameterTypes == null ? EMPTY_CLASS_ARRAY : parameterTypes,
            /* includeStatic */ true);
        return res == null ? null : res.getMostSpecific();
    }
}

这里是通过 getMethodsRecursive 获取到 MethodList 对象，然后通过 MethodList#getMostSpecific 方法筛选出对应的方法。
MethodList#getMOstSpecific 会筛选返回值类型最为具体的方法，至于为什么会有返回值的区别，后面会讲到。
（这里的具体，指的是有两个方法，返回值分别是 Child 和 Parent，Child 继承自 Parent，这里会筛选出返回值为 Child 的方法）。

接着看 getMethodsRecursive 方法，是如何获取方法的。

1.3.3 getMethodsRecursive

class Class {
    private PublicMethods.MethodList getMethodsRecursive(String name,
                                                         Class<?>[] parameterTypes,
                                                         boolean includeStatic) {
        // 1. 获取自己的 public 方法
        Method[] methods = privateGetDeclaredMethods(/* publicOnly */ true);
        // 2. 筛选符合条件的方法，构造 MethodList 对象
        PublicMethods.MethodList res = PublicMethods.MethodList
            .filter(methods, name, parameterTypes, includeStatic);
        // 找到方法，直接返回
        if (res != null) {
            return res;
        }

        // 3. 没有找到方法，就获取其父类，递归调用 getMethodsRecursive 方法
        Class<?> sc = getSuperclass();
        if (sc != null) {
            res = sc.getMethodsRecursive(name, parameterTypes, includeStatic);
        }

        // 4. 获取接口中对应的方法
        for (Class<?> intf : getInterfaces(/* cloneArray */ false)) {
            res = PublicMethods.MethodList.merge(
                res, intf.getMethodsRecursive(name, parameterTypes,
                                              /* includeStatic */ false));
        }

        return res;
    }
}

这里获取方法有四个步骤：

1. 通过 privateGetDeclaredMethods 获取自己所有的 public 方法
2. 通过 MethodList#filter 查找 方法名，参数相同的方法，如果找到，直接返回
3. 如果自己没有实现对应的方法，就去父类中查找对应的方法
4. 查找接口中对应的方法

通过上面四个步骤，最终获取到的是一个 MethodList 对象，是一个链表结点，其 next 指向下一个结点。也就是说，这里获取到的 Method 会有多个。

这里稍微解释一下，在我们平时编写 Java 代码时，同一个类是不能有方法名和方法参数都相同的方法的，而实际上，在 JVM 中，一个方法签名是和 返回值，方法名，方法参数 三者相关的。
也就是说，在 JVM 中，可以存在 方法名和方法参数都相同，但是返回值不同的方法。

所以这里返回的是一个方法链表。

所以上面最终返回方法时会通过 MethodList#getMostSpecific 进行返回值的筛选，筛选出返回值类型最具体的方法。

这里我们先暂停回顾一下整体的调用链路：

getMethod -> getMethod0 -> getMethodsRecursive -> privateGetDeclaredMethods

通过函数调用，最终会调用到 privateGetDeclaredMethods 方法，也就是真正获取方法的地方。

1.3.4 privateGetDeclaredMethods

class Class {
    private Method[] privateGetDeclaredMethods(boolean publicOnly) {
        Method[] res;
        // 1. 通过缓存获取 Method[]
        ReflectionData<T> rd = reflectionData();
        if (rd != null) {
            res = publicOnly ? rd.declaredPublicMethods : rd.declaredMethods;
            if (res != null) return res;
        }
        // 2. 没有缓存，通过 JVM 获取
        res = Reflection.filterMethods(this, getDeclaredMethods0(publicOnly));
        if (rd != null) {
            if (publicOnly) {
                rd.declaredPublicMethods = res;
            } else {
                rd.declaredMethods = res;
            }
        }
        return res;
    }
}

在 privateGetDeclaredMethods 获取方法时，有两个步骤：

1. relectionData 通过缓存获取
2. 如果缓存没有命中的话，通过 getDeclaredMethods0 获取方法

先看看 relectionData 方法：

class Class {
    private ReflectionData<T> reflectionData() {
        SoftReference<ReflectionData<T>> reflectionData = this.reflectionData;
        int classRedefinedCount = this.classRedefinedCount;
        ReflectionData<T> rd;
        if (reflectionData != null &&
            (rd = reflectionData.get()) != null &&
            rd.redefinedCount == classRedefinedCount) {
            return rd;
        }
        // else no SoftReference or cleared SoftReference or stale ReflectionData
        // -> create and replace new instance
        return newReflectionData(reflectionData, classRedefinedCount);
    }
}

在 Class 中会维护一个 ReflectionData 的软引用，作为反射数据的缓存。
ReflectionData 结构如下：

    private static class ReflectionData<T> {
        volatile Field[] declaredFields;
        volatile Field[] publicFields;
        volatile Method[] declaredMethods;
        volatile Method[] publicMethods;
        volatile Constructor<T>[] declaredConstructors;
        volatile Constructor<T>[] publicConstructors;
        // Intermediate results for getFields and getMethods
        volatile Field[] declaredPublicFields;
        volatile Method[] declaredPublicMethods;
        volatile Class<?>[] interfaces;

        // Cached names
        String simpleName;
        String canonicalName;
        static final String NULL_SENTINEL = new String();

        // Value of classRedefinedCount when we created this ReflectionData instance
        final int redefinedCount;
    }

可以看到，保存了 Class 中的属性和方法。
如果缓存为空，就会通过 getDeclaredMethods0 从 JVM 中查找方法。
getDeclaredMethods0 是一个 native 方法，这里暂时先不看。

通过上面几个步骤，就获取到 Method 数组。

这就是 getMethod 方法的整个实现了。
我们再回过头看一下 getDeclaredMethod 方法的实现，通过 privateGetDeclaredMethods 获取方法以后，会通过 searchMethods 对方法进行筛选。

    public Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
        throws NoSuchMethodException, SecurityException {
        // ...
        Method method = searchMethods(privateGetDeclaredMethods(false), name, parameterTypes);
        // ...
    }

searchMethods 方法实现比较简单，就是对比方法名，参数，方法返回值。

class Class {
    private static Method searchMethods(Method[] methods,
                                        String name,
                                        Class<?>[] parameterTypes)
    {
        ReflectionFactory fact = getReflectionFactory();
        Method res = null;
        for (Method m : methods) {
            // 比较方法名
            if (m.getName().equals(name)
                // 比较方法参数
                && arrayContentsEq(parameterTypes,
                                   fact.getExecutableSharedParameterTypes(m))
                // 比较返回值
                && (res == null
                    || (res.getReturnType() != m.getReturnType()
                        && res.getReturnType().isAssignableFrom(m.getReturnType()))))
                res = m;
        }
        return res;
    }
}

1.3.5 Method#copy

在获取到对应方法以后，并不会直接返回，而是会通过 getReflectionFactory().copyMethod(method); 返回方法的一个拷贝。

最终调用的是 Method#copy，我们来看看其实现。

class Method {
    Method copy() {
        // This routine enables sharing of MethodAccessor objects
        // among Method objects which refer to the same underlying
        // method in the VM. (All of this contortion is only necessary
        // because of the "accessibility" bit in AccessibleObject,
        // which implicitly requires that new java.lang.reflect
        // objects be fabricated for each reflective call on Class
        // objects.)
        if (this.root != null)
            throw new IllegalArgumentException("Can not copy a non-root Method");

        Method res = new Method(clazz, name, parameterTypes, returnType,
                                exceptionTypes, modifiers, slot, signature,
                                annotations, parameterAnnotations, annotationDefault);
        res.root = this;
        // Might as well eagerly propagate this if already present
        res.methodAccessor = methodAccessor;
        return res;
    }
}

会 new 一个 Method 实例并返回。
这里有两点要注意：

1. 设置 root = this
2. 会给 Method 设置 MethodAccessor，用于后面方法调用。也就是所有的 Method 的拷贝都会使用同一份 methodAccessor。

通过上面的步骤，就获取到了需要反射的方法。
我们再回顾一下之前的流程。

二、Java 反射原理–调用反射方法

获取到方法以后，通过 Method#invoke 调用方法。

class Method {
    public Object invoke(Object obj, Object... args)
        throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
           InvocationTargetException
    {
        if (!override) {
            Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
            // 1. 检查权限
            checkAccess(caller, clazz,
                        Modifier.isStatic(modifiers) ? null : obj.getClass(),
                        modifiers);
        }
        // 2. 获取 MethodAccessor
        MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile
        if (ma == null) {
            // 创建 MethodAccessor
            ma = acquireMethodAccessor();
        }
        // 3. 调用 MethodAccessor.invoke
        return ma.invoke(obj, args);
    }
}

invoke 方法的实现，分为三步：

2.1 检查是否有权限调用方法

这里对 override 变量进行判断，如果 override == true，就跳过检查
我们通常在 Method#invoke 之前，会调用 Method#setAccessible(true)，就是设置 override 值为 true。

2.2 获取 MethodAccessor

在上面获取 Method 的时候我们讲到过，Method#copy 会给 Method 的 methodAccessor 赋值。所以这里的 methodAccessor 就是拷贝时使用的 MethodAccessor。
如果 ma 为空，就去创建 MethodAccessor。

class Method {
    private MethodAccessor acquireMethodAccessor() {
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