JVM基础 -- 反射原理

  1. Class.forName()
  2. object.getClass()
  3. 类名.class
    • Integer.TYPE指向int.class
  4. 数组类型: 类名[].class
public static final Class<Integer>  TYPE = (Class<Integer>) Class.getPrimitiveClass("int");

常规用法

  1. newInstance()
    • 生成该类实例
    • 需要 无参构造器
  2. isInstance(Object)
    • 判断一个对象是否为该类的实例
    • 语法上等同于instanceOf,在JIT优化时会有所差别
  3. Array.newInstance(Class<?>, int)
    • 构造该类型的数组
  4. getFields()/getConstructors()/ getMethods()
    • 访问类成员
    • Declared 的方法 不会返回父类成员,但会返回私有成员 ;不带 Declared 的方法恰好相反

获取类成员后

  1. Field/Constructor/Method setAccessible(true)
    • 绕开Java语言的限制
  2. Field.get/set(Object)
    • 访问字段的值
  3. Constructor.newInstance(Object[])
    • 生成该类实例
  4. Method.invoke(Object, Object[])
    • 调用方法

方法的反射调用

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();
        }
        // 委派给MethodAccessor来处理
        return ma.invoke(obj, args);
    }
}

public interface MethodAccessor {
    Object invoke(Object var1, Object[] var2) throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException;
}
JVM基础 -- 反射原理
JVM基础 -- 反射原理

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 :进入JVM内部后,便拥有了Method实例所指向方法的 具体地址
  • 此时,反射调用无非就是准备好入参,然后调用进入目标方法

本地实现

public class V0 {
    public static void target(int i) {
        new Exception("#" + i).printStackTrace();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class<?> klass = Class.forName(V0.class.getName());
        Method method = klass.getMethod("target", int.class);
        method.invoke(null, 0);
    }
}
// 本地实现
// Method.invoke -> DelegatingMethodAccessorImpl.invoke
// -> NativeMethodAccessorImpl.invoke -> NativeMethodAccessorImpl.invoke0
java.lang.Exception: #0
 at me.zhongmingmao.basic.reflect.V0.target(V0.java:7) -- Java
 at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method) -- C++
 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) -- Java
 at me.zhongmingmao.basic.reflect.V0.main(V0.java:13)
  1. 反射调用的顺序
    • Method.invoke(反射调用)
    • DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(委派实现)
    • NativeMethodAccessorImpl.invoke(本地实现)
    • NativeMethodAccessorImpl.invoke0(目标方法)
  2. 采用 委派实现 作为 中间层 的原因
    • 因为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( 动态实现 ),直接使用invoke指令来调用目标方法
    • Method.invoke -> DelegatingMethodAccessorImpl.invoke -> GeneratedMethodAccessor1.invoke
    • 因此采用委派实现,是为了能够在 本地实现 以及 动态实现 之间切换
  3. 动态实现与本地实现相比,动态实现的运行效率能快上20倍
    • 这是因为动态实现无需经过Java到C++再到Java的切换
  4. 但生成字节码十分耗时,仅调用一次的话,反而本地实现要快上3~4倍
    • 许多反射调用仅会执行一次,阈值: sun.reflect.inflationThreshold=15
    • < 15,采用本地实现
    • >= 15,采用动态实现,将委派实现的委派对象切换至动态实现,该过程称之为 Inflation
    • -Dsun.reflect.noInflation=true ,关闭 Inflation 机制,反射调用在 一开始便会直接使用动态实现 ,而不会使用委派实现或者本地实现
// 动态实现的伪代码
package jdk.internal.reflect;

public class GeneratedMethodAccessor1 extends ... {
    @Overrides    
    public Object invoke(Object obj, Object[] args) throws ... {
        V0.target((int) args[0]);
        return null;
    }
}

动态实现

// -verbose:class
public class V1 {
    public static void target(int i) {
        new Exception("#" + i).printStackTrace();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class<?> klass = Class.forName(V1.class.getName());
        Method method = klass.getMethod("target", int.class);
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            method.invoke(null, i);
        }
    }
}
// 第15次反射调用时,触发了动态实现的生成,JVM额外加载其他类
java.lang.Exception: #14
 at me.zhongmingmao.basic.reflect.V1.target(V1.java:7)
 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 me.zhongmingmao.basic.reflect.V1.main(V1.java:14)
...
// 加载自动生成的字节码
[Loaded sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1 from __JVM_DefineClass__]
java.lang.Exception: #15
 at me.zhongmingmao.basic.reflect.V1.target(V1.java:7)
 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 me.zhongmingmao.basic.reflect.V1.main(V1.java:14)
// 切换至刚刚生成的动态实现
java.lang.Exception: #16
 at me.zhongmingmao.basic.reflect.V1.target(V1.java:7)
 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 me.zhongmingmao.basic.reflect.V1.main(V1.java:14)

反射调用的开销

Class.forName + Class.getMethod

  1. Class.forName会调用本地方法
  2. Class.getMethod则会遍历 该类的公有方法 ,如果没有匹配到,还将匹配 父类的公有方法
    • 返回查找得到结果的一份 拷贝
    • 避免在热点代码中使用返回 Method数组 的Class.getMethods()方法和Class.getDeclaredMethods()方法,减少不必要的堆空间消耗
  3. 尽量在应用进程中缓存Class.forName和Class.getMethod的结果

Method.invoke

直接调用

Java代码

public class V2 {
    public static void target(int i) {
    }

    private static void directCall() {
        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;
            }

            V2.target(128);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        directCall();
    }
}
  1. 取最后5个值,作为预热后的峰值性能,大约为111.6ms; 与不调用的时间基本一致
    • 因为这是 热循环 ,触发 JIT ,将V2.target的调用 内联 进来,从而 消除了调用的开销
  2. 性能基准:111.6ms

反射调用

Java代码

// -XX:+PrintGC
public class V3 {
    public static void target(int i) {
    }

    private static void reflectCall() throws Exception {
        Class<?> klass = Class.forName("me.zhongmingmao.basic.reflect.V3");
        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);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        reflectCall();
    }
}

峰值性能:457.4ms,为基准耗时的4.1倍

字节码

63: aload_1                         // 加载Method对象
64: aconst_null                     // 静态方法,反射调用的第一个参数为null
65: iconst_1
66: anewarray                       // 生成一个长度为1的Object数组
69: dup
70: iconst_0
71: sipush        128
74: invokestatic Integer.valueOf    // 将128自动装箱成Integer
77: aastore                         // 存入Object数组
78: invokevirtual Method.invoke     // 反射调用

反射调用前的两个动作

  • Method.invoke是一个 变长参数 方法, 最后一个参数字节码层面 会是 Object数组
    • Java编译器会在方法调用处生成一个 长度为入参数量的Object数组 ,并将入参一一存储进该数组
  • Object数组不能存储基本类型,Java编译器会对传入的基本类型进行 自动装箱
  • 上述两个步骤会带来 性能开销GC
  • 减少装箱

    1. V3的代码增加启动JVM参数: -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=128
    2. 峰值性能:280.4ms,为基准耗时的2.5倍

    减少自动生成Object数组

    Java代码

    // -XX:+PrintGC
    public class V4 {
        public static void target(int i) {
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            Class<?> klass = Class.forName("me.zhongmingmao.basic.reflect.V4");
            Method method = klass.getMethod("target", int.class);
    
            // 在循环外构造参数数组
            Object[] arg = new Object[1];
            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);
            }
        }
    }
    
    80: aload_2                         // 加载Method对象
    81: aconst_null                     // 静态方法,反射调用的第一个参数为null
    82: aload_3
    83: invokevirtual Method.invoke     // 反射调用,无anewarray指令
    
    1. 峰值性能:312.4ms,为基准耗时的2.8倍
    2. V4 不会触发GC ,因为 反射调用被内联
      • 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
      • 如果一个对象被判定为 不逃逸 ,那么即时编译器会选择 栈分配 或者 虚拟分配不占用堆空间
      • 在循环外新建数组,即时编译器无法确定这个数组会不会被中途修改,从而无法优化掉访问数组的操作

    关闭Inflation机制

    1. 关闭Inflation机制,取消委派实现,并且 直接使用动态实现
    2. 关闭权限校验:每次反射调用都会 检查目标方法的权限

    Java代码

    // -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=128
    // -Dsun.reflect.noInflation=true
    public class V5 {
        public static void target(int i) {
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            Class<?> klass = Class.forName("me.zhongmingmao.basic.reflect.V5");
            Method method = klass.getMethod("target", int.class);
            // 关闭权限检查
            method.setAccessible(true);
    
            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);
            }
        }
    }
    

    峰值性能:186.2ms,为基准耗时的1.7倍

    方法内联的瓶颈

    1. V5的反射调用能如此快,主要是 即时编译器中的方法内联
    2. 在关闭了Inflation机制后,方法内联的瓶颈在于Method.invoke方法中对MethodAccessor.invoke方法的调用
    3. 在生成环境中,通常有多个不同的反射调用,对应多个GeneratedMethodAccessor,也就是动态实现
    4. JVM关于上述调用点的类型profile无法同时记录多个类,造成所测试的 反射调用没有被内联 的情况
      • 类型profile:对于invokevirtual或invokeinterface,JVM会记录下 调用者的具体类型
    JVM基础 -- 反射原理
    JVM基础 -- 反射原理

    Java代码

    public class V6 {
        public static void target(int i) {
        }
    
        public static void target1(int i) {
        }
    
        public static void target2(int i) {
        }
    
        public static void polluteProfile() throws Exception {
            // 误扰Method.invoke()的类型profile
            Method method1 = V6.class.getMethod("target1", int.class);
            Method method2 = V6.class.getMethod("target2", int.class);
            for (int i = 0; i < 2000; i++) {
                method1.invoke(null, 0);
                method2.invoke(null, 0);
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            Class<?> klass = Class.forName("me.zhongmingmao.basic.reflect.V6");
            Method method = klass.getMethod("target", int.class);
            // 关闭权限检查
            method.setAccessible(true);
            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);
            }
        }
    }
    
    1. 峰值性能:1565.6ms,为基准耗时的14倍
    2. 原因
      • 方法没有内联
      • 逃逸分析不再起效(解决方案:循环外构造数组,峰值性能:892.4ms,为基准耗时的8倍)
      • 每个调用能够记录的类型数目太少,默认2(-XX:TypeProfileWidth=5,峰值性能:1456.2ms,为基准耗时的13倍)

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