--- JVM 是如何实现反射的? --- #### 目录 1. 前言 2. 反射调用的实现 3. 反射调用的开销 4. 总结 #### 前言 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。 举例来说,我们可以通过 Class 对象枚举该类中的所有方法,我们还可以通过 Method.setAccessible(位于 java.lang.reflect 包,该方法继承自 AccessibleObject)绕过 Java 语言的访问权限,在私有方法所在类之外的地方调用该方法。 今天我们便来了解一下反射的实现机制,以及它性能糟糕的原因。 #### 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。 ```java 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(NativeMethodAccessorImpl),另一个则使用了委派模式(DelegatingMethodAccessorImpl)。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。 ```java public class Main { public static void main(String[] args) throws Exception { Class clazz = Class.forName("Main"); Method method = clazz.getMethod("target", int.class); method.invoke(null, 233); } public static void target(int i) { new Exception("#" + i).printStackTrace(); } } java.lang.Exception: #233 at Main.target(Main.java:16) 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:566) at Main.main(Main.java:12) ``` 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。 可以看到,反射调用先是调用了 Method.invoke,然后进去委派实现(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外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。之所以采取委派实现,便是为了能够在本地实现以及动态实现中切换。 ```java // 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。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。 考虑到很多反射调用仅会执行一次,Java 虚拟机设置了一个阈值 15,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。 ```java public class Main { public static void main(String[] args) throws Exception { Class clazz = Class.forName("Main"); Method method = clazz.getMethod("target", int.class); for (int i = 0; i < 20; i++) { method.invoke(null, i); } } public static void target(int i) { new Exception("#" + i).printStackTrace(); } } # 使用 -verbose:class 打印加载的类 $ java -verbose:class Main [0.216s][info][class,load] java.util.IdentityHashMap$KeySet source: jrt:/java.base java.lang.Exception: #0 [0.216s][info][class,load] java.lang.StackTraceElement$HashedModules source: jrt:/java.base at Main.target(Main.java:17) 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:566) at Main.main(Main.java:12) ... //省略 [0.234s][info][class,load] sun.reflect.misc.ReflectUtil source: jrt:/java.base [0.234s][info][class,load] jdk.internal.reflect.ClassFileConstants source: jrt:/java.base [0.234s][info][class,load] jdk.internal.reflect.AccessorGenerator source: jrt:/java.base [0.235s][info][class,load] jdk.internal.reflect.MethodAccessorGenerator source: jrt:/java.base [0.235s][info][class,load] jdk.internal.reflect.ByteVectorFactory source: jrt:/java.base [0.235s][info][class,load] jdk.internal.reflect.ByteVector source: jrt:/java.base [0.236s][info][class,load] jdk.internal.reflect.ByteVectorImpl source: jrt:/java.base [0.236s][info][class,load] jdk.internal.reflect.ClassFileAssembler source: jrt:/java.base [0.236s][info][class,load] jdk.internal.reflect.UTF8 source: jrt:/java.base [0.236s][info][class,load] jdk.internal.reflect.Label source: jrt:/java.base [0.237s][info][class,load] jdk.internal.reflect.Label$PatchInfo source: jrt:/java.base [0.238s][info][class,load] jdk.internal.reflect.MethodAccessorGenerator$1 source: jrt:/java.base [0.238s][info][class,load] jdk.internal.reflect.ClassDefiner source: jrt:/java.base [0.238s][info][class,load] jdk.internal.reflect.ClassDefiner$1 source: jrt:/java.base [0.239s][info][class,load] jdk.internal.reflect.GeneratedMethodAccessor1 source: __JVM_DefineClass__ java.lang.Exception: #15 at Main.target(Main.java:17) 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:566) at Main.main(Main.java:12) java.lang.Exception: #16 at Main.target(Main.java:17) 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:566) at Main.main(Main.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。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。 反射调用的 Inflation 机制是可以通过参数来关闭的。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,这两个操作都非常耗时。 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,下面我们就只关注反射调用本身的性能开销。 #### 总结 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:变成参数方法导致的 Object 数组,基于类型的自动装箱、拆箱,还有最重要的方法内联。