Java 虚拟机：JVM是如何实现反射的？
原创
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。
反射在 Java 中的应用十分广泛。开发人员日常接触到的 Java 集成开发环境（IDE）便运用了这一功能：每当我们敲入点号时，IDE 便会根据点号前的内容，动态展示可以访问的字段或者方法。
另一个日常应用则是 Java 调试器，它能够在调试过程中枚举某一对象所有字段的值。
（图中 eclipse 的自动提示使用了反射）
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。
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。如果你对反射 API 不是特别熟悉的话，你可以查阅我放在文稿末尾的附录。
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)
at java.base/jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
at java.base/jdk.internal.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.i.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
at java.base/java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:564)
at 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);
}
}
}下面我将以 120ms 作为基准，来比较反射调用的性能开销。
由于目标方法 Test.target 接收一个 int 类型的参数，因此我传入 128 作为反射调用的参数，测得的结果约为基准的 2.7 倍。我们暂且不管这个数字是高是低，先来看看在反射调用之前字节码都做了什么。
59: aload_2 // 加载 Method 对象
60: aconst_null // 反射调用的第一个参数 null
61: iconst_1
62: anewarray Object // 生成一个长度为 1 的 Object 数组
65: dup
66: iconst_0
67: sipush 128
70: invokestatic Integer.valueOf // 将 128 自动装箱成 Integer
73: aastore // 存入 Object 数组中
74: invokevirtual Method.invoke // 反射调用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 为基准的 2.9 倍
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 约为基准的 1.3 倍
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);
}
}
}到这里，我们基本上把反射调用的水分都榨干了。接下来，我来把反射调用的性能开销给提回去。
首先，在这个例子中，之所以反射调用能够变得这么快，主要是因为即时编译器中的方法内联。在关闭了 Inflation 的情况下，内联的瓶颈在于 Method.invoke 方法中对 MethodAccessor.invoke 方法的调用。
我会在后面的文章中介绍方法内联的具体实现，这里先说个结论：在生产环境中，我们往往拥有多个不同的反射调用，对应多个 GeneratedMethodAccessor，也就是动态实现。
由于 Java 虚拟机的关于上述调用点的类型 profile（注：对于 invokevirtual 或者 invokeinterface，Java 虚拟机会记录下调用者的具体类型，我们称之为类型 profile）无法同时记录这么多个类，因此可能造成所测试的反射调用没有被内联的情况。
// v5 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);
method.setAccessible(true); // 关闭权限检查
polluteProfile();
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);
}
}
public static void polluteProfile() throws Exception {
Method method1 = Test.class.getMethod("target1", int.class);
Method method2 = Test.class.getMethod("target2", int.class);
for (int i = 0; i < 2000; i++) {
method1.invoke(null, 0);
method2.invoke(null, 0);
}
}
public static void target1(int i) { }
public static void target2(int i) { }
}在上面的 v5 版本中，我在测试循环之前调用了 polluteProfile 的方法。该方法将反射调用另外两个方法，并且循环上 2000 遍。
而测试循环则保持不变。测得的结果约为基准的 6.7 倍。也就是说，只要误扰了 Method.invoke 方法的类型 profile，性能开销便会从 1.3 倍上升至 6.7 倍。
之所以这么慢，除了没有内联之外，另外一个原因是逃逸分析不再起效。这时候，我们便可以采用刚才 v3 版本中的解决方案，在循环外构造参数数组，并直接传递给反射调用。这样子测得的结果约为基准的 5.2 倍。
除此之外，我们还可以提高 Java 虚拟机关于每个调用能够记录的类型数目（对应虚拟机参数 -XX:TypeProfileWidth，默认值为 2，这里设置为 3）。最终测得的结果约为基准的 2.8 倍，尽管它和原本的 1.3 倍还有一定的差距，但总算是比 6.7 倍好多了。
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。
今天的实践环节，你可以将最后一段代码中 polluteProfile 方法的两个 Method 对象，都改成获取名字为“target”的方法。请问这两个获得的 Method 对象是同一个吗（==）？他们 equal 吗（.equals(…)）？对我们的运行结果有什么影响？
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);
method.setAccessible(true); // 关闭权限检查
polluteProfile();
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);
}
}
public static void polluteProfile() throws Exception {
Method method1 = Test.class.getMethod("target", int.class);
Method method2 = Test.class.getMethod("target", int.class);
for (int i = 0; i < 2000; i++) {
method1.invoke(null, 0);
method2.invoke(null, 0);
}
}
public static void target1(int i) { }
public static void target2(int i) { }
}附录：反射 API 简介
通常来说，使用反射 API 的第一步便是获取 Class 对象。在 Java 中常见的有这么三种。
- 使用静态方法 Class.forName 来获取。
- 调用对象的 getClass() 方法。
- 直接用类名 +“.class”访问。对于基本类型来说，它们的包装类型（wrapper classes）拥有一个名为“TYPE”的 final 静态字段，指向该基本类型对应的 Class 对象。
例如，Integer.TYPE 指向 int.class。对于数组类型来说，可以使用类名 +“[ ].class”来访问，如 int[ ].class。
除此之外，Class 类和 java.lang.reflect 包中还提供了许多返回 Class 对象的方法。例如，对于数组类的 Class 对象，调用 Class.getComponentType() 方法可以获得数组元素的类型。
一旦得到了 Class 对象，我们便可以正式地使用反射功能了。下面我列举了较为常用的几项。
- 使用 newInstance() 来生成一个该类的实例。它要求该类中拥有一个无参数的构造器。
- 使用 isInstance(Object) 来判断一个对象是否该类的实例，语法上等同于 instanceof 关键字（JIT 优化时会有差别，我会在本专栏的第二部分详细介绍）。
- 使用 Array.newInstance(Class,int) 来构造该类型的数组。
- 使用 getFields()/getConstructors()/getMethods() 来访问该类的成员。除了这三个之外，Class 类还提供了许多其他方法，详见 [4]。需要注意的是，方法名中带 Declared 的不会返回父类的成员，但是会返回私有成员；而不带 Declared 的则相反。
当获得了类成员之后，我们可以进一步做如下操作。
- 使用 Constructor/Field/Method.setAccessible(true) 来绕开 Java 语言的访问限制。
- 使用 Constructor.newInstance(Object[]) 来生成该类的实例。
- 使用 Field.get/set(Object) 来访问字段的值。
- 使用 Method.invoke(Object, Object[]) 来调用方法。
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