Java反射，但速度更快

在编译时不知道Java类的最快方法是什么？ Java框架通常会这样做。很多。它可以直接影响其性能。因此，让我们对不同的方法进行基准测试，例如反射，方法句柄和代码生成。

用例

假设我们有一个简单的Person类，其中包含名称和地址：

public class Person {...public String getName() {...}public Address getAddress() {...}}

并且我们想使用诸如以下的框架：

XStream ，JAXB或Jackson来将实例序列化为XML或JSON。
JPA /休眠将人员存储在数据库中。
OptaPlanner分配地址（如果他们是游客或无家可归的人）。

这些框架都不了解Person类。 因此，他们不能简单地调用person.getName() ：

// Framework codepublic Object executeGetter(Object object) {// Compilation error: class Person is unknown to the frameworkreturn ((Person) object).getName();}

相反，代码使用反射，方法句柄或代码生成。

但是这样的代码被称为很多 ：

如果在数据库中插入1000个不同的人，则JPA / Hibernate可能会调用2000次这样的代码：
- 1000次调用Person.getName()
同样，如果您用XML或JSON编写1000个不同的人，则XStream，JAXB或Jackson可能会进行2000次调用。

显然，当这种代码每秒被调用x次时， 其性能很重要 。

基准测试

使用JMH，我在带有32GB RAM的64位8核Intel i7-4790台式机上的Linux上使用OpenJDK 1.8.0_111运行了一组微型基准测试。 JMH基准测试有3个分支，5个1秒的预热迭代和1秒的20个测量迭代。

该基准的源代码位于此GitHub存储库中。

TL; DR结果

Java反射很慢。 （*）
Java MethodHandles也很慢。 （*）
用javax.tools生成的代码很快。 （*）

（*）在用例中，我以使用的工作量作为基准。你的旅费可能会改变。

因此，魔鬼在细节中。让我们浏览一下实现，以确认我应用了典型的魔术技巧（例如setAccessible(true) ）。

实作

直接访问（基准）

我使用了一个普通的person.getName()调用作为基准：

public final class MyAccessor {public Object executeGetter(Object object) {return ((Person) object).getName();}}

每次操作大约需要2.7纳秒：

Benchmark           Mode  Cnt  Score   Error  Units
===================================================
DirectAccess        avgt   60  2.667 ± 0.028  ns/op

直接访问自然是运行时最快的方法，而没有引导成本。 但是它在编译时导入Person ，因此每个框架都无法使用它。

反射

框架在运行时读取getter的明显方法是不预先知道它的方法是通过Java Reflection：

public final class MyAccessor {private final Method getterMethod;public MyAccessor() {getterMethod = Person.class.getMethod("getName");// Skip Java language access checking during executeGetter()getterMethod.setAccessible(true);}public Object executeGetter(Object bean) {return getterMethod.invoke(bean);}}

添加setAccessible(true)调用可使这些反射调用更快，但是即使这样，每个调用也要花费5.5纳秒。

Benchmark           Mode  Cnt  Score   Error  Units
===================================================
DirectAccess        avgt   60  2.667 ± 0.028  ns/op
Reflection          avgt   60  5.511 ± 0.081  ns/op

反射比直接访问慢106％（大约慢一倍）。 预热还需要更长的时间。

这对我来说不是什么大惊喜，因为当我使用OptaPlanner在980个城市中描述（使用抽样）一个人为简单的旅行商问题时，反射成本像拇指酸痛一样突出：

方法句柄

Java 7中引入了MethodHandle来支持invokedynamic指令。根据javadoc，它是对基础方法的类型化，直接可执行的引用。 听起来很快，对不对？

public final class MyAccessor {private final MethodHandle getterMethodHandle;public MyAccessor() {MethodHandle temp = lookup.findVirtual(Person.class, "getName", MethodType.methodType(String.class));temp = temp.asType(temp.type().changeParameterType(0 , Object.class));getterMethodHandle = temp.asType(temp.type().changeReturnType(Object.class));}public Object executeGetter(Object bean) {return getterMethodHandle.invokeExact(bean);}}

不幸的是， MethodHandle甚至比 OpenJDK 8中的反射还要慢 。它每次操作花费6.1纳秒，因此比直接访问慢132％。

Benchmark           Mode  Cnt  Score   Error  Units
===================================================
DirectAccess        avgt   60  2.667 ± 0.028  ns/op
Reflection          avgt   60  5.511 ± 0.081  ns/op
MethodHandle        avgt   60  6.188 ± 0.059  ns/op
StaticMethodHandle  avgt   60  5.481 ± 0.069  ns/op

话虽如此，如果MethodHandle在静态字段中，则每次操作只需要5.5纳秒，这仍然与反射一样慢 。此外，对于大多数框架而言，这是无法使用的。例如，JPA实现可能需要反映n类（ Person ， Company ， Order等等）的m getters（ getName() ， getAddress() ， getBirthDate() ，...），因此JPA实现如何有n * m静态字段，在编译时不知道n或m ？

我确实希望MethodHandle在将来的Java版本中能够像直接访问一样快，从而取代对...的需求。

使用javax.tools.JavaCompiler生成的代码

在Java中，可以在运行时编译和运行生成的Java代码。因此，使用javax.tools.JavaCompiler API，我们可以在运行时生成直接访问代码：

public abstract class MyAccessor {public static MyAccessor generate() {final String String fullClassName = "x.y.generated.MyAccessorPerson$getName";final String source = "package x.y.generated;\n"+ "public final class MyAccessorPerson$getName extends MyAccessor {\n"+ "    public Object executeGetter(Object bean) {\n"+ "        return ((Person) object).getName();\n"+ "    }\n"+ "}";JavaFileObject fileObject = new ...(fullClassName, source);JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();ClassLoader classLoader = ...;JavaFileManager javaFileManager = new ...(..., classLoader)CompilationTask task = compiler.getTask(..., javaFileManager, ..., singletonList(fileObject));boolean success = task.call();...Class compiledClass = classLoader.loadClass(fullClassName);return compiledClass.newInstance();}// Implemented by the generated subclasspublic abstract Object executeGetter(Object object);}

有关如何使用javax.tools.JavaCompiler更多信息，请参见本文或本文的第2页。除了javax.tools之外，类似的方法也可以使用ASM或CGLIB，但是这些方法会推断出额外的依赖性，并且可能会产生不同的性能结果。

无论如何， 生成的代码与直接访问一样快 ：

Benchmark           Mode  Cnt  Score   Error  Units
===================================================
DirectAccess        avgt   60  2.667 ± 0.028  ns/op
GeneratedCode       avgt   60  2.745 ± 0.025  ns/op

因此，当我再次在OptaPlanner中运行该完全相同的Traveling Salesman问题时，这一次使用代码生成来访问计划变量， 因此总分计算速度提高了18％ 。并且分析（使用采样）看起来也更好：

请注意，在正常使用情况下，由于大量CPU需要实际复杂的分数计算，因此性能提升几乎是无法检测到的...

运行时代码生成的唯一缺点是，它会导致可观的引导成本，特别是如果生成的代码未进行批量编译时。因此，我仍然希望有一天MethodHandles能够像直接访问一样快，只是为了避免增加引导成本。

结论

在此基准测试中，反射和MethodHandles的速度是OpenJDK 8中直接访问的两倍，但是生成的代码的速度是直接访问的速度。

Benchmark           Mode  Cnt  Score   Error  Units
===================================================
DirectAccess        avgt   60  2.667 ± 0.028  ns/op
Reflection          avgt   60  5.511 ± 0.081  ns/op
MethodHandle        avgt   60  6.188 ± 0.059  ns/op
StaticMethodHandle  avgt   60  5.481 ± 0.069  ns/op
GeneratedCode       avgt   60  2.745 ± 0.025  ns/op