反射机制

作者：Ethan.Yang
博客：https://blog.ethanyang.cn (opens new window)

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Java 反射（Reflection）机制允许在运行时动态获取类的信息或操作对象属性、方法、构造器等。
反射为框架设计、插件机制、IoC 容器和动态代理提供了基础能力，但也带来了性能和安全上的考量。本篇将系统梳理反射流程、性能损耗、优化策略及应用示例。

一、基本反射流程

核心流程示例

Class<?> clazz = Class.forName("com.example.User");

// 获取构造方法并创建对象
Constructor<?> constructor = clazz.getConstructor(String.class, int.class);
Object user = constructor.newInstance("张三", 18);

// 获取字段
Field field = clazz.getDeclaredField("name");
field.setAccessible(true);
Object name = field.get(user);

// 获取方法并调用
Method method = clazz.getDeclaredMethod("getName");
method.setAccessible(true);
Object result = method.invoke(user);

内部过程分析

• Class.forName()：通过类加载器加载 .class 字节码。

• getDeclaredField/getDeclaredMethod：通过类的 内部反射缓存 查找字段/方法。

• setAccessible(true)：调用 ReflectionFactory 提升私有访问权限，绕过 Java 安全检查（在 JDK 9+ 会触发强警告）。

• invoke()：方法反射调用，会封装为 MethodAccessor 并通过 DelegatingMethodAccessorImpl 分发。

  • Method.invoke() ⬇
    |
    |--> DelegatingMethodAccessorImpl.invoke() ⬇
         |
         |--> NativeMethodAccessorImpl.invoke()（第一次调用）
              |
              |--> 调用本地代码执行实际的方法（通过 JNI 反射机制）
              |
              |--> 达到一定调用次数后（默认15次），切换为：
                     ⬇
                  MethodAccessorGenerator 生成字节码
                     ⬇
                  --> GeneratedMethodAccessorXXX.invoke()（JDK动态生成类）
    

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二、性能损耗分析

Java 反射提供了极大的灵活性，但其本质仍是“间接方法调用”，相比直接调用，其性能损耗主要来源于访问控制、方法查找、调用封装、JIT 逃逸等问题。

为什么 Method.invoke() 会慢?

1. 调用是通过泛型接口完成的，缺乏编译器内联优化

   Method.invoke() 的参数和返回值都是 Object 类型，JVM 无法进行静态分析和内联优化。

   public Object invoke(Object obj, Object... args)
   

   • 基本类型要装箱（boxing）和拆箱（unboxing）：

     int result = (Integer) method.invoke(obj, 1); // int ➜ Integer ➜ Object，再反向拆箱
     

   • 泛型擦除导致类型不安全（编译器无法内联优化调用路径）。

2. 反射调用流程层级多，涉及委托机制

   如前所述，Method.invoke() 实际上调用的是 MethodAccessor 接口的 invoke 方法，默认由 DelegatingMethodAccessorImpl 委托给 NativeMethodAccessorImpl 执行（前15次），再转为动态生成的 GeneratedMethodAccessorImpl。

   虽然后续使用字节码生成器优化路径，但整个委托链和对象适配依然存在开销。

3. 方法元信息查找耗时

   虽然 JVM 为 Method 对象缓存了元数据（通过 MethodAccessor），但初次反射依然需要查找方法、参数签名、访问控制等元信息，构建成本较高。

4. 参数检查、类型转换和异常处理逻辑复杂

   • invoke() 方法内部会逐个参数进行校验、类型强制转换。
   • 反射调用的异常是被统一包裹成 InvocationTargetException 抛出，异常处理开销更高。

JVM 的反射优化

为了提高反射性能，JVM 在反射调用中加入了缓存机制和动态字节码生成策略：

阶段	执行路径	特点
初始阶段（前15次）	NativeMethodAccessorImpl	调用 native 方法，慢但安全
达到阈值后	GeneratedMethodAccessorImpl	动态生成类调用真实方法，绕过 native 和参数适配，提升性能
委托统一入口	DelegatingMethodAccessorImpl	委托至上面两个

☑️ 这些逻辑封装在 Method 类的 methodAccessor 字段中，一经初始化会缓存避免重复生成。

setAccessible(true) 的影响

1. 作用：跳过安全性检查

   默认情况下，Java 运行时会通过 checkAccess() 检查方法/字段的访问权限（public/protected/private），这会导致额外的权限校验和安全管理器检查：

   if (!override && !Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
       // 安全检查...
   }
   

   调用 setAccessible(true) 后，override 标志被设置为 true，可直接访问字段/方法，省略这一块的消耗。

2. 是否能提高调用性能？

   仅影响访问权限检查阶段的性能，调用执行阶段依然使用反射机制，不会减少装箱拆箱、方法封装、异常捕获等成本。

   在低频反射场景下提升不明显，但在 高频调用反射私有字段或方法 时能降低开销。

   从 JDK 9 起，如果使用模块系统，setAccessible(true) 会受到强限制，甚至抛出异常或警告。

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三、MethodHandle 与反射对比

概述

MethodHandle 是 Java 7 引入的低层次方法引用机制，是 JDK 内部实现 Lambda、Stream 的基础。

• 它是 JVM 级别的直接调用接口，性能比反射高得多。
• 能被 JIT 编译优化为 几乎等同于直接调用的性能。

示例：通过 MethodHandle 调用方法

import java.lang.invoke.*;

public class MethodHandleDemo {
    public static class User {
        public String sayHello(String name) {
            return "Hello, " + name;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();
        MethodHandle mh = lookup.findVirtual(User.class, "sayHello",
                MethodType.methodType(String.class, String.class));

        User user = new User();
        String result = (String) mh.invokeExact(user, "张三");
        System.out.println(result);
    }
}

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四、典型应用：插件机制

反射是 面向接口+动态发现能力 的重要基础。在构建动态插件、框架或 IoC 容器时非常关键。

**示例：**插件注册与加载（简化版）

// 插件接口
public interface Plugin {
    void execute();
}

// SPI 加载机制
public class PluginLoader {
    public static void loadPlugins() throws Exception {
        File pluginDir = new File("plugins/");
        for (File file : pluginDir.listFiles()) {
            URLClassLoader loader = new URLClassLoader(new URL[]{file.toURI().toURL()});
            Class<?> clazz = loader.loadClass("com.plugin.MyPlugin");
            if (Plugin.class.isAssignableFrom(clazz)) {
                Plugin plugin = (Plugin) clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
                plugin.execute();
            }
        }
    }
}

SPI 打破了类加载的双亲委派机制, 具体可参考JVM相关类容

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五、性能优化策略

优化点	说明
缓存 Method/Field 对象	使用 ConcurrentHashMap 缓存反射信息，避免重复查找
避免频繁 setAccessible(true)	设置一次即可，多次设置无意义反而浪费性能
使用 MethodHandle 替代反射	高性能反射调用方式，支持 JIT 优化
使用动态代理（如 ByteBuddy）	生成字节码代理，性能几乎等同手写代码
控制反射调用频率	核心路径禁止频繁反射，比如高频请求、日志埋点等
基于注解构建编译期处理器	比如 Spring + AnnotationProcessor，编译期生成代码

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六、常用工具类库

类库	作用说明
Spring ReflectionUtils	包装常用反射逻辑，简化代码编写
Apache BeanUtils	Bean 属性映射、动态复制
ASM / ByteBuddy	生成字节码，实现零反射的高性能代理
MapStruct	静态代码生成器，避免反射
JDK MethodHandle	几乎等价于直接调用的反射方式