java高性能反射及性能對比

HtmlCssJs 發(fā)布于2019-08-16 13:40 / 1017人閱讀

摘要：介紹是使用字節(jié)碼生成來加強反射的性能。實現(xiàn)原理方法字節(jié)碼生成大致邏輯為通過反射獲取必要的函數(shù)名函數(shù)類型等信息。由于里面包含字節(jié)碼生成操作，所以相對來說這個函數(shù)是比較耗時的。

java編程中，使用反射來增強靈活性（如各類框架）、某些抽象（如各類框架）及減少樣板代碼（如Java Bean）。
因此，反射在實際的java項目中被大量使用。

由于項目里存在反射的性能瓶頸，使用的是ReflectASM高性能反射庫來優(yōu)化。
因此，在空閑時間研究了下的這個庫，并做了簡單的Beachmark。

介紹

ReflectASM是使用字節(jié)碼生成來加強反射的性能。
反射包含多種反射，這個庫很簡單，它提供的特性則是：

根據(jù)匹配的字符串操作成員變量。

根據(jù)匹配的字符串調(diào)用成員函數(shù)。

根據(jù)匹配的字符串調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。

這三種也恰恰是實際使用中最多的，且在特殊場景下也容易產(chǎn)生性能問題。

例子

舉個例子，使用MethodAccess來反射調(diào)用類的函數(shù)：

Person person = new Person();
MethodAccess m = MethodAccess.get(Person.class);
Object value = m.invoke(person, "getName");

更多的例子參考官方文檔，這個庫本身就不大，就幾個類。

實現(xiàn)原理 MethodAccess.get方法

static public MethodAccess get (Class type) {
    ArrayList methods = new ArrayList();
    boolean isInterface = type.isInterface();
    if (!isInterface) {
        Class nextClass = type;
        while (nextClass != Object.class) {
            addDeclaredMethodsToList(nextClass, methods);
            nextClass = nextClass.getSuperclass();
        }
    } else {
        recursiveAddInterfaceMethodsToList(type, methods);
    }

    int n = methods.size();
    String[] methodNames = new String[n];
    Class[][] parameterTypes = new Class[n][];
    Class[] returnTypes = new Class[n];
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        Method method = methods.get(i);
        methodNames[i] = method.getName();
        parameterTypes[i] = method.getParameterTypes();
        returnTypes[i] = method.getReturnType();
    }

    String className = type.getName();
    String accessClassName = className + "MethodAccess";
    if (accessClassName.startsWith("java.")) accessClassName = "reflectasm." + accessClassName;
    Class accessClass;

    AccessClassLoader loader = AccessClassLoader.get(type);
    synchronized (loader) {
        try {
            accessClass = loader.loadClass(accessClassName);
        } catch (ClassNotFoundException ignored) {
            String accessClassNameInternal = accessClassName.replace(".", "/");
            String classNameInternal = className.replace(".", "/");

            ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
            MethodVisitor mv;
            /* ... 字節(jié)碼生成 */
            byte[] data = cw.toByteArray();
            accessClass = loader.defineClass(accessClassName, data);
        }                
    }

    try {
        MethodAccess access = (MethodAccess)accessClass.newInstance();
        access.methodNames = methodNames;
        access.parameterTypes = parameterTypes;
        access.returnTypes = returnTypes;
        return access;
    } catch (Throwable t) {
        throw new RuntimeException("Error constructing method access class: " + accessClassName, t);
    }
}

大致邏輯為：

通過java反射獲取必要的函數(shù)名、函數(shù)類型等信息。

動態(tài)生成一個用于調(diào)用被反射對象的類，其為MethodAccess的子類。

反射生成動態(tài)生成的類，返回。

由于里面包含字節(jié)碼生成操作，所以相對來說這個函數(shù)是比較耗時的。
我們來分析一下，如果第二次調(diào)用對相同的類調(diào)用MethodAccess.get()方法，會不會好一些？
注意到：

synchronized (loader) {
    try {
        accessClass = loader.loadClass(accessClassName);
    } catch {
        /* ... */
    }
}

因此，如果這個動態(tài)生成的MethodAccess類已經(jīng)生成過，第二次調(diào)用MethodAccess.get是不會操作字節(jié)碼生成的。
但是，前面的一大堆準(zhǔn)備反射信息的操作依然會被執(zhí)行。所以，如果在代碼中封裝這樣的一個函數(shù)試圖使用ReflectASM庫：

Object reflectionInvoke(Object bean, String methodName) {
    MethodAccess m = MethodAccess.get(bean.getClass());
    return m.invoke(bean, methodName);
}

那么每次反射調(diào)用前都得執(zhí)行這么一大坨準(zhǔn)備反射信息的代碼，實際上還不如用原生反射呢。這個后面會有Beachmark。

為什么不在找不到動態(tài)生成的MethodAccess類時（即第一次調(diào)用）時，再準(zhǔn)備反射信息？這個得問作者。

動態(tài)生成的類 通過idea調(diào)試器獲取動態(tài)生成類的字節(jié)碼

那么那個動態(tài)生成的類的內(nèi)部到底是什么？
由于這個類是動態(tài)生成的，所以獲取它的定義比較麻煩。
一開始我試圖尋找java的ClassLoader的API獲取它的字節(jié)碼，但是似乎沒有這種API。

后來，我想了一個辦法，直接在MethodAccess.get里面的這行代碼打斷點：

byte[] data = cw.toByteArray();

通過idea的調(diào)試器把data的內(nèi)容復(fù)制出來。但是這又遇到一個問題，data是二進(jìn)制內(nèi)容，根本復(fù)制不出來。
一個一年要400美刀的IDE，為啥不能做的貼心一點啊？

既然是二進(jìn)制內(nèi)容，那么只能設(shè)法將其編碼成文本再復(fù)制了。通過idea調(diào)試器自定義view的功能，將其編碼成base64后復(fù)制了出來。
然后，搞個python小腳本將其base64解碼回.class文件：

#!/usr/bin/env python3
import base64

with open("tmp.txt", "rb") as fi, open("tmp.class", "wb") as fo:
    base64.decode(fi, fo)

反編譯.class文件，得到：

//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by Fernflower decompiler)
//

package io.github.frapples.javademoandcookbook.commonutils.entity;

import com.esotericsoftware.reflectasm.MethodAccess;

public class PointMethodAccess extends MethodAccess {
    public PointMethodAccess() {
    }

    public Object invoke(Object var1, int var2, Object... var3) {
        Point var4 = (Point)var1;
        switch(var2) {
        case 0:
            return var4.getX();
        case 1:
            var4.setX((Integer)var3[0]);
            return null;
        case 2:
            return var4.getY();
        case 3:
            var4.setY((Integer)var3[0]);
            return null;
        case 4:
            return var4.toString();
        case 5:
            return Point.of((Integer)var3[0], (Integer)var3[1], (String)var3[2]);
        default:
            throw new IllegalArgumentException("Method not found: " + var2);
        }
    }
}

可以看到，生成的invoke方法中，直接根據(jù)索引使用switch直接調(diào)用。
所以，只要使用得當(dāng)，性能媲美原生調(diào)用是沒有什么問題的。

MethodAccess.invoke方法

來看invoke方法內(nèi)具體做了哪些操作：

    abstract public Object invoke (Object object, int methodIndex, Object... args);

    /** Invokes the method with the specified name and the specified param types. */
    public Object invoke (Object object, String methodName, Class[] paramTypes, Object... args) {
        return invoke(object, getIndex(methodName, paramTypes), args);
    }

    /** Invokes the first method with the specified name and the specified number of arguments. */
    public Object invoke (Object object, String methodName, Object... args) {
        return invoke(object, getIndex(methodName, args == null ? 0 : args.length), args);
    }

    /** Returns the index of the first method with the specified name. */
    public int getIndex (String methodName) {
        for (int i = 0, n = methodNames.length; i < n; i++)
            if (methodNames[i].equals(methodName)) return i;
        throw new IllegalArgumentException("Unable to find non-private method: " + methodName);
    }

如果通過函數(shù)名稱調(diào)用函數(shù)（即調(diào)用invoke(Object, String, Class[], Object...)，
則MethodAccess是先遍歷所有函數(shù)名稱拿到索引，然后根據(jù)索引調(diào)用對應(yīng)方法（即調(diào)用虛函數(shù)invoke(Object, int, Object...)，
實際上是通過多態(tài)調(diào)用字節(jié)碼動態(tài)生成的子類的對應(yīng)函數(shù)。

如果被反射調(diào)用的類的函數(shù)很多，則這個遍歷操作帶來的性能損失不能忽略。
所以，性能要求高的場合，應(yīng)該預(yù)先通過getIndex方法提前獲得索引，然后后面即可以直接使用invoke(Object, int, Object...)來調(diào)用。

Beachmark

談這種細(xì)粒度操作級別的性能問題，最有說服力的就是實際測試數(shù)據(jù)了。
下面，Talk is cheap, show you my beachmark.

首先是相關(guān)環(huán)境：
操作系統(tǒng)版本： elementary OS 0.4.1 Loki 64-bit
CPU: 雙核 Intel? Core? i5-7200U CPU @ 2.50GHz
JMH基準(zhǔn)測試框架版本: 1.21
JVM版本: JDK 1.8.0_181, OpenJDK 64-Bit Server VM, 25.181-b13

Benchmark                                                Mode  Cnt     Score    Error   Units
// 通過MethodHandle調(diào)用。預(yù)先得到某函數(shù)的MethodHandle
ReflectASMBenchmark.javaMethodHandleWithInitGet         thrpt    5   122.988 ±  4.240  ops/us
// 通過java反射調(diào)用。緩存得到的Method對象
ReflectASMBenchmark.javaReflectWithCacheGet             thrpt    5    11.877 ±  2.203  ops/us
// 通過java反射調(diào)用。預(yù)先得到某函數(shù)的Method對象
ReflectASMBenchmark.javaReflectWithInitGet              thrpt    5    66.702 ± 11.154  ops/us
// 通過java反射調(diào)用。每次調(diào)用都先取得Method對象
ReflectASMBenchmark.javaReflectWithOriginGet            thrpt    5     3.654 ±  0.795  ops/us
// 直接調(diào)用
ReflectASMBenchmark.normalCall                          thrpt    5  1059.926 ± 99.724  ops/us
// ReflectASM通過索引調(diào)用。預(yù)先取得MethodAccess對象，預(yù)先取得某函數(shù)的索引
ReflectASMBenchmark.reflectAsmIndexWithCacheGet         thrpt    5   639.051 ± 47.750  ops/us
// ReflectASM通過函數(shù)名調(diào)用，緩存得到的MethodAccess對象
ReflectASMBenchmark.reflectAsmWithCacheGet              thrpt    5    21.868 ±  1.879  ops/us
// ReflectASM通過函數(shù)名調(diào)用，預(yù)先得到的MethodAccess
ReflectASMBenchmark.reflectAsmWithInitGet               thrpt    5    53.370 ±  0.821  ops/us
// ReflectASM通過函數(shù)名調(diào)用，每次調(diào)用都取得MethodAccess
ReflectASMBenchmark.reflectAsmWithOriginGet             thrpt    5     0.593 ±  0.005  ops/us

可以看到，每次調(diào)用都來一次MethodAccess.get，性能是最慢的，時間消耗是java原生調(diào)用的6倍，不如用java原生調(diào)用。
最快的則是預(yù)先取得MethodAccess和函數(shù)的索引并用索引來調(diào)用。其時間消耗僅僅是直接調(diào)用的2倍不到。

基準(zhǔn)測試代碼見：
https://github.com/frapples/j...

jmh框架十分專業(yè)，在基準(zhǔn)測試前會做復(fù)雜的預(yù)熱過程以減少環(huán)境、優(yōu)化等影響，基準(zhǔn)測試也盡可能通過合理的迭代次數(shù)等方式來減小誤差。
所以，在默認(rèn)的迭代次數(shù)、預(yù)熱次數(shù)下，跑一次基準(zhǔn)測試的時間不短，CPU呼呼的轉(zhuǎn)。。。

最后總結(jié)

在使用ReflectASM對某類進(jìn)行反射調(diào)用時，需要預(yù)先生成或獲取字節(jié)碼動態(tài)生成的MethodAccess子類對象。

這一操作是非常耗時的，所以正確的使用方法應(yīng)該是：

在某個利用反射的耗時函數(shù)啟動前，先預(yù)先生成這個MethodAccess對象。

如果是自己里面ReflectASM封裝工具類，則應(yīng)該設(shè)計緩存，緩存生成的MethodAccess對象。

如果不這樣做，這個ReflectASM用的沒有任何意義，性能還不如java的原生反射。

如果想進(jìn)一步提升性能，那么還應(yīng)該避免使用函數(shù)的字符串名稱來調(diào)用，而是在耗時的函數(shù)啟動前，預(yù)先獲取函數(shù)名稱對應(yīng)的整數(shù)索引。
在后面的耗時的函數(shù)，使用這個整數(shù)索引進(jìn)行調(diào)用。