【Java实战】反射操作百倍性能优化

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引言

总所周知，反射操作性能开销相对较大。
然而，一些技巧可以显著优化反射操作的性能。

资料引用：Java Reflection, 1000x Faster

避免在性能敏感的热点代码中使用反射

这是最重要的一条原则。因为反射涉及动态类型解析，会阻碍JVM的即时编译（JIT）优化。在需要频繁调用的代码中，应尽量避免使用反射。

缓存反射对象

反射操作中，Class.forName()、Class.getMethod() 和 Class.getField() 这类查找操作非常耗时。如果需要多次对同一个类或方法进行反射操作，应该将查找到的 Class、Method、Field 和 Constructor 对象缓存起来，避免重复查找。

// 不推荐的方式
public void badReflection(Object obj) throws Exception {Method method = obj.getClass().getMethod("doSomething");method.invoke(obj);
}// 推荐的方式：使用Map缓存Method对象
private final Map<String, Method> methodCache = new ConcurrentHashMap<>();public void goodReflection(Object obj) throws Exception {String className = obj.getClass().getName();Method method = methodCache.computeIfAbsent(className, k -> {try {return obj.getClass().getMethod("doSomething");} catch (NoSuchMethodException e) {throw new RuntimeException(e);}});method.invoke(obj);
}

使用setAccessible(true)

当需要调用非公共（private, protected, default）的成员时，必须先调用 setAccessible(true) 来跳过Java语言的访问权限检查。这可以显著提升反射调用的速度。

使用MethodHandle

从Java 7开始引入的 MethodHandle 提供了一种比反射更现代、性能更好的动态方法调用机制。它与反射不同，是“类型化”的，并且可以更好地被JVM优化。
常用于处理处理在编译时未知，在运行时才确定的调用。

和反射区别如下：

特性	反射 (java.lang.reflect.Method)	方法句柄 (java.lang.invoke.MethodHandle)
本质	描述方法元数据的信息类	指向方法字节码的直接引用，像函数指针
性能	较慢，每次调用都有安全检查和参数解包/打包开销	首次查找有开销，后续调用接近原生调用速度，可被JIT优化
类型安全	弱类型。invoke(Object, Object…) 接收任意对象，编译时不检查，运行时可能抛出类型转换异常	强类型。句柄有明确的 MethodType，调用时如果类型不匹配，编译或运行时会立即失败
安全性	每次调用都检查访问权限	仅在创建句柄时检查一次访问权限
灵活性	API简单直观	API更复杂，但提供强大的句柄组合与转换能力

• MethodHandle：直接指向方法的引用，调用时可以像普通方法一样，并且可以被JIT编译器优化。
• LambdaMetafactory：结合 MethodHandle 使用，可以创建出实现了特定函数式接口的Lambda实例，其性能几乎等同于直接的方法调用。这种方式在运行时完全避免了反射的开销。

演示

• 比如在编写框架时，需要根据配置文件来调用某个对象的特定方法。

配置文件(config.json)

{"className": "com.example.UserValidator","methodToCall": "validate"
}

我们的程序它在编译时完全不知道UserValidator这个类，也不知道validate这个方法。
此时可以使用MethodHandle来动态

import java.lang.invoke.MethodHandle;
import java.lang.invoke.MethodHandles;
import java.lang.invoke.MethodType;// --- 假设这是用户编写的类 ---
class UserValidator {public boolean validate() {System.out.println("UserValidator is validating...");return true;}
}// --- 这是您编写的框架代码 ---
public class Framework {public void executeFromConfig(Object instance, String methodName) {System.out.println("Framework is about to call method '" + methodName + "' on instance " + instance.getClass().getSimpleName());try {// 1. 获取一个查找上下文MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();// 2. 动态确定方法的签名（这里假设是无参，返回boolean）MethodType methodType = MethodType.methodType(boolean.class);// 3. 动态查找方法，得到一个MethodHandle//    这里的 instance.getClass() 和 methodName 都是在运行时才确定的！MethodHandle handle = lookup.findVirtual(instance.getClass(), methodName, methodType);// 4. 调用 handle.invoke() 或 invokeExact()//    这里告诉JVM：请在`instance`这个具体的对象上，执行`handle`所代表的方法。boolean result = (boolean) handle.invoke(instance);System.out.println("Execution result: " + result);} catch (Throwable t) {// 注意：invoke() 和 findVirtual() 都会抛出 Throwablet.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {Framework framework = new Framework();UserValidator userValidatorInstance = new UserValidator();// 框架根据运行时信息（比如配置文件），来调用对象的方法framework.executeFromConfig(userValidatorInstance, "validate");}
}

• 假设我们有两个不同的类，但我们想用一个统一的框架来处理它们的某个方法

class Greeter {public String sayHello(String name) {return "Hello, " + name;}
}class Calculator {public int add(int a, int b) {return a + b;}
}public class AdvancedFramework {public static void main(String[] args) throws Throwable {MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();// --- 场景一：调用 Greeter 的 sayHello 方法 ---Greeter greeter = new Greeter();// 1. 定义方法类型：(String) -> StringMethodType mtHello = MethodType.methodType(String.class, String.class);// 2. 查找句柄MethodHandle mhHello = lookup.findVirtual(Greeter.class, "sayHello", mtHello);// 3. 调用，第一个参数是实例本身，后面是方法的参数String result1 = (String) mhHello.invoke(greeter, "World");System.out.println("Greeter result: " + result1); // 输出: Greeter result: Hello, World// --- 场景二：调用 Calculator 的 add 方法 ---Calculator calculator = new Calculator();// 1. 定义方法类型：(int, int) -> intMethodType mtAdd = MethodType.methodType(int.class, int.class, int.class);// 2. 查找句柄MethodHandle mhAdd = lookup.findVirtual(Calculator.class, "add", mtAdd);// 3. 调用int result2 = (int) mhAdd.invoke(calculator, 10, 20);System.out.println("Calculator result: " + result2); // 输出: Calculator result: 30}
}

• 适配器模式-绑定参数
  假设你有一个方法对象，但想预先填好它的一个参数，生成一个新的、参数更少的方法对象。这在事件处理等场景中非常有用。

import java.lang.invoke.*;public class BindExample {public void printMessage(String level, String message) {System.out.println("[" + level + "]: " + message);}public static void main(String[] args) throws Throwable {BindExample instance = new BindExample();MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();// 原始方法句柄: (BindExample, String, String) -> voidMethodType mt = MethodType.methodType(void.class, String.class, String.class);MethodHandle originalHandle = lookup.findVirtual(BindExample.class, "printMessage", mt);// 我们想创建一个 "INFO" 级别的日志记录器// 使用 bindTo 绑定第一个参数（实例）和第二个参数（level）MethodHandle infoLogger = originalHandle.bindTo(instance).bindTo("INFO");// 新的句柄类型变成了: (String) -> void// 现在调用新的句柄，只需要提供 message 参数infoLogger.invoke("This is an informational message."); // 输出: [INFO]: This is an informational message.// 同样，我们可以创建一个 "ERROR" 级别的日志记录器MethodHandle errorLogger = originalHandle.bindTo(instance).bindTo("ERROR");errorLogger.invoke("A critical error occurred!"); // 输出: [ERROR]: A critical error occurred!}
}

生成字节码来避免反射

对于性能要求极高的场景，例如在框架和库的开发中，可以通过直接生成字节码来避免反射。像 ASM、cglib、Byte Buddy 等库允许在运行时动态创建和修改类。虽然首次生成字节码的开销较大，但一旦生成，其执行速度就和普通的Java代码完全一样，并且可以被JIT充分优化。

字节码增强技术内容有点多，感兴趣的可以看这篇入门。
深入浅出 Byte Buddy：掌握 Java 运行时代码操作的利器