对序列化中反射的一点思考

前言

序列化大家都不陌生，说白了就是把当前类对象的状态保存为二进制，然后被用来持久化或者网络传输；常用的RPC框架在数据传输前都会进行序列化操作，主流的RPC框架包含了多种序列化方式比如protobuf，fastjson，kryo，hessian，java内置序列化等等，大致可以分为二进制和字符串(json字符串)。

反射

因为需要把当前类对象状态保存为二进制，所以往往需要获取所有类属性，这时候大部分的序列化方式都用到了反射，通过反射获取所有类属性获取方法，然后获取到属性值，大致如下：

//1.方法
Method[] methods = obj.getClass().getDeclaredMethods();
for(Method method : methods) {
    method.invoke(obj);
}
//2.字段
Field fields[] = obj.getClass().getDeclaredFields();
for (Field field : fields) {
    field.get(obj);
}

但是反射往往在性能上被大家所怀疑，所以出现了类似protobuf采用自动生成序列化代码的方式，fastjson使用ASM代替反射的方式；下面我们先用简单的测试来对比一下各种方式的性能，看反射是否真的慢；

性能测试

在windows10+jdk8环境下分别对直接，反射，以及ASM调用方法分别进行压力测试，看起消耗的时间，测试中可以多次执行，取稳定的值；以下测试分别从Person对象通过方法获取属性值，如下：

public class Person {
    private String id;
    private String name;
    
    public String getId() {
        return id;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
}

直接调用

直接调用也就是我们平时最常用的方式，直接通过对象调用方法名称获取属性值，我们在压测的时候会分别轮询两个方法：

public static void test() {
    Person person = new Person("10001", "zhaohui");
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 1_0000_0000; i++) {
        if (i % 2 == 0) {
            person.getId();
        } else {
            person.getName();
        }
    }
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("Manual time:" + (endTime - startTime) + "ms");
    }

多次测试结果大概在90ms左右，直接调用速度是最快的，但是需要我们手动的写每个bean的序列化代码，或者像protobuf一样使用工具给我们生成所有的序列化代码，比如生成Person的序列化代码：

 public void writeTo(com.google.protobuf.CodedOutputStream output)
                        throws java.io.IOException {
    getSerializedSize();
    if (((bitField0_ & 0x00000001) == 0x00000001)) {
      output.writeInt32(1, id_);
    }
    if (((bitField0_ & 0x00000002) == 0x00000002)) {
      output.writeBytes(2, getNameBytes());
    }
    getUnknownFields().writeTo(output);
 }

可以看到每个生成的bean都自动生成了序列化代码，并且所有的bean都继承于统一的抽象类，这样提供一整套规范；有个缺点就是每次修改需要手动改proto文件，然后重新生成代码；

反射调用

使用jdk提供的反射机制，获取Methods，然后获取属性值，具体代码如下：

    public static void test() throws Exception {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        Person person = new Person("10001", "zhaohui");
        Method[] ms = Person.class.getDeclaredMethods();
        for (int i = 0; i < 1_0000_0000; i++) {
            ms[i & ms.length - 1].invoke(person);
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Reflex time:" + (endTime - startTime) + "ms");
    }

经测试时间大概维持在205ms左右，和直接调用还是存在一定差距的，不过jdk每一轮的升级，都在提升性能，比如jdk7中引入的MethodHandle，模拟字节码层面的调用；

ASM调用

反射是读取持久堆上存储的类信息，而ASM是直接处理.class字节码的，无需加载类，我们这里使用ReflectASM来进行测试；

ReflectASM 是一个非常小的 Java 类库，通过代码生成来提供高性能的反射处理，自动为 get/set 字段提供访问类，访问类使用字节码操作而不是 Java 的反射技术，因此非常快。

    public static void test() {
        Person person = new Person("10001", "zhaohui");
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        MethodAccess methodAccess = MethodAccess.get(Person.class);
        String[] mns = methodAccess.getMethodNames();
        int len = mns.length;
        int indexs[] = new int[len];
        for (int i = 0; i < len; i++) {
            indexs[i] = methodAccess.getIndex(mns[i]);
        }
        for (int i = 0; i < 1_0000_0000; i++) {
            methodAccess.invoke(person, indexs[i & len - 1]);
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("ASM time:" + (endTime - startTime) + "ms");
    }

经测试时间维持在110ms左右，速度还是很快的，快赶上直接调用了；其中为了获得最大性能，应使用方法或字段索引而不是名称；

总结

可以看到虽然反射性能一直在提升，但是相比直接调用和ASM的方式还是有一点差距；但其实如果用在RPC上这点时间在整个网络传输上来说可以说微乎其微；如果对性能极度追求，可以考虑使用直接调用或者ASM的方式；

思考

关于直接调用上面说到protobuf，通过工具生成序列化代码，但是这种方式每次改动都要手动生成代码，有点麻烦，是否可以直接利用lombok这种框架做一个扩展，自动生成序列化代码，其实lombok底层也用到ASM，直接生成字节码代码，提供序列化注解

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
public @interface Serialize {
}

然后可以直接把注解应用到bean中，直接帮助我们生成序列化代码，就像@Getter/@Setter一样；相当于直接调用和ASM方式的一种整合；类似如下代码：

@Serialize
public class Person {
    private String id;
    private String name;
    
    //自动生成
    public byte[] serialize(){
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(100);
        bb.put(id.getBytes());
        bb.put(name.getBytes());
        return bb.array();
    }
}

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