2021-05-22 13:59  阅读(2077)
文章分类:深入理解 Java 虚拟机 文章标签:JVMJava 虚拟机

方法调用过程是指确定被调用方法的版本(即调用哪一个方法),并不包括方法执行过程。我们知道,Class 文件的编译过程中并不包括传统编译中的连接步骤,一切方法调用在 Class 文件调用里面存储的都只是符号引用,而不是方法在实际运行时的内存布局入口地址,也就是说符号引用解析成直接引用的过程。这个特性使得Java 具有强大的动态扩展能力,但也使得 Java方法调用过程变得复杂起来,需要在类加载器件,甚至是运行期间才确定目标方法的直接饮用。

1、解析调用

在类加载的解析阶段,会将其中一部分符号引用直接转化为直接饮用,前提是:方法在程序真正运行之前就有一个可确定的版本,并且这个方法的调用版本在运行期是不可改变的。换句话说,调用目标在程序代码写好,编译器进行编译时就必须确定下来。这类方法的调用称为解析(Resolution)。

符合这个要求的方法,主要包括:静态方法私有方法。因为这两个方法的特点就决定了他们都不可能通过继承或别的方式重写其他版本。

与之相对应的,Java 虚拟机里面提供了5条方法调用字节码指令,分别如下:

  • invokestatic:调用静态方法
  • invokespecial:调用 方法、私有方法和父类方法
  • invokevirtual:调用所有的虚方法
  • invokeinterface:调用接口方法,会在运行时在确定一个实现此接口的对象
  • invokedynamic:会在运行时动态解析出调用电限定符所引用的方法,然后再执行该方法。

只能被 invokestatic 和 invokespecial 调用的方法,都可以在解析阶段中确定唯一的调用版本,符合这个条件的有
静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法4类,这些方法称为
非虚方法,由于 final 修饰的方法不能被覆盖,也属于非虚方法。与之相反,其他的方法称为虚方法。

2、分派调用

作为一门面向对象的程序语言,Java 具备面型对象的3个特征:继承、封装和多态。下面我们将会讲解多态性特征的一些最基本的体现,如“重写”和“重载”在Java 虚拟机中是怎么实现的。

2.1静态分派

依赖于静态类型来定位方法执行版本的分派动作(如重载)称为静态分派。

首先我们先来看一下下面的这段代码:

        package org.fenixsoft.polymorphic;
    
        /**
         * 方法静态分派演示
         * @author zzm
         */
        public class StaticDispatch {
    
          static abstract class Human {
          }
    
          static class Man extends Human {
          }
    
          static class Woman extends Human {
          }
    
          public void sayHello(Human guy) {
              System.out.println("hello,guy!");
          }
    
          public void sayHello(Man guy) {
              System.out.println("hello,gentleman!");
          }
    
          public void sayHello(Woman guy) {
              System.out.println("hello,lady!");
          }
    
          public static void main(String[] args) {
              Human man = new Man();
              Human woman = new Woman();
              StaticDispatch sr = new StaticDispatch();
              sr.sayHello(man);
              sr.sayHello(woman);
          }
        }
    

运行结果如下: hello,guy!

hello,guy!

为什么会选择参数类型为 Human 的重载呢?首先,我们看下面两个重要概念。 Human man = new Man(); 我们将上面代码中的 “Human” 称为变量”man“的 静态类型(Static Type),或者叫做 外观类型(Apparent Type)。后面的 ”Man“则称为变量的实际类型(Actual Type)。 静态类型和实际类型都可以发生变化,区别是静态类型仅仅在使用时变化,变量本身的静态类型不会改变,并且最终的静态类型是编译可知的。而实际类型变化结果只有在运行期才确定,编译器在编译程序的时候,不知道一个对象的实际类型是什么。 虚拟机在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判定依据的。并且静态类型是编译器可知的,因此,在编译期,Javac 编译器会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本,所以选择了 sayHello(Human),并把这个方法的符号引用写入 main() 方法的两条 invokevirtual 指令的参数中。

2.2 动态分派

运行时期,依赖于
实际类型来定位方法执行的分派动作(重写 Override) 属于动态分派。

        public class DynamicDispatch {
    
          static abstract class Human {
              protected abstract void sayHello();
          }
    
          static class Man extends Human {
              @Override
              protected void sayHello() {
                  System.out.println("man say hello");
              }
          }
    
          static class Woman extends Human {
              @Override
              protected void sayHello() {
                  System.out.println("woman say hello");
              }
          }
    
          public static void main(String[] args) {
              Human man = new Man();
              Human woman = new Woman();
              man.sayHello();
              woman.sayHello();
              man = new Woman();
              man.sayHello();
          }
        }

运行结果: man say hello

woman say hello

woman say hello

我们用 javap命令输出这段代码的字节码:

          public static void main(java.lang.String[]);
            flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
            Code:
              stack=2, locals=3, args_size=1
                 0: new           #16                 // class org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Man
                 3: dup
                 4: invokespecial #18                 // Method org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Man."
       
         
          
        ":()V
                 7: astore_1
                 8: new           #19                 // class org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Woman
                11: dup
                12: invokespecial #21                 // Method org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Woman."
        
          
           
         ":()V
                15: astore_2
                16: aload_1
                17: invokevirtual #22                 // Method org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Human.sayHello:()V
                20: aload_2
                21: invokevirtual #22                 // Method org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Human.sayHello:()V
                24: new           #19                 // class org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Woman
                27: dup
                28: invokespecial #21                 // Method org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Woman."
         
           
            
          ":()V
                31: astore_1
                32: aload_1
                33: invokevirtual #22                 // Method org/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Human.sayHello:()V
                36: return
              LineNumberTable:
                line 28: 0
                line 29: 8
                line 30: 16
                line 31: 20
                line 32: 24
                line 33: 32
                line 34: 36
              LocalVariableTable:
                Start  Length  Slot  Name   Signature
                       0      37     0  args   [Ljava/lang/String;
                       8      29     1   man   Lorg/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Human;
                      16      21     2 woman   Lorg/bupt/xiaoye/DynamicDispatch$Human;
        }
         
           
        
          
       
         

接下来的16-21句是关键部分。16、20两句将创建的两个对象的引用压到栈顶,这两个对象是将要执行的 sayHello() 方法的所有者,称为接受者(Receiver);17、21句是方法调用指令,但是这两条指令的最终执行的目标方法并不相同。原因就需要从 invokevirtual 指令的动态查找过程开始说起, invokevirtual 指令的运行时解析过程大致分为以下几个步骤:

  1. 找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的实际类型,记做 C。
  2. 如果在类型 C 中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法,则进行访问权限校验。如果通过,则返回这个方法的直接饮用,查找过程结束:如果不通过,则返回 java.lang.IllegalAccessError 异常。
  3. 否则,按照继承关系从下往上依次对C 的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
  4. 如果始终没有找到合适的方法,则抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常。

2.3 单分派与多分派

方法的接受者与方法的参数统称为方法的宗量。根据分派基于多少宗量,可以将分派划分为
单分派
多分派两种。 我们来看一段代码

        public class Dispatch {
    
          static class QQ {}
    
          static class _360 {}
    
          public static class Father {
              public void hardChoice(QQ arg) {
                  System.out.println("father choose qq");
              }
    
              public void hardChoice(_360 arg) {
                  System.out.println("father choose 360");
              }
          }
    
          public static class Son extends Father {
              public void hardChoice(QQ arg) {
                  System.out.println("son choose qq");
              }
    
              public void hardChoice(_360 arg) {
                  System.out.println("son choose 360");
              }
          }
    
          public static void main(String[] args) {
              Father father = new Father();
              Father son = new Son();
              father.hardChoice(new _360());
              son.hardChoice(new QQ());
          }
        }
    

单分派是根据一个宗量对目标方法进行选择,多分派则是根据多余一个宗量对目标方法进行选择。 在静态分派的过程中,选择目标方法的依据有两点:1、看对象的静态类型时什么,即使 Father 还是 Son。 2、方法参数的类型和数量是什么是 QQ还是 360 。因为是根据两个宗量进行选择,所以 Java 语言的
静态分派属于多分派类型。 在动态分派的过程中,由于编译器已经决定了目标方法的签名,因此只需要找到方法的接受者就可以了。因为是根据一个宗量进行选择,所以 Java 语言的
动态分派属单分派类型

2.4 动态分配的实现

由于动态分配是非常频繁的动作,而且动态分配的方法版本选择过程需要运行时在
类的方法元数据中搜索合适的目标方法,因此在虚拟机的实际实现中,基于性能的考虑,大部分实现都不会真正的进行如此频繁的搜索。最常用的手段就是为类在方法去中建立一个
虚方法表(Virtual Method Table , 也称为 vtable ,与此对应的,在 invokeinterface 执行时也会用到
接口方法表-Inteface Method Table , 简称 itable),使用虚方法表索引来代替元数据查找以提高性能。 以上面代码为例,虚方法表结构如图:

202105221359513321.png

虚方法表中存放着各个方法的实际入口地址。如果某个方法在子类中没有被重写,那子类的虚方法表里面的地址入口和弗雷相同方法的地址入口是一致的,都指向父类的实现入口。如果子类中重写了这个方法,子类方法表中的地址将会替换为指向子类实现版本的入口。如上图,Son 重写了来自于 Father 的全部方法,因此 Son 的方发表没有指向 Father 类型数据的箭头。但是 Son 和 Father 都没有重写来自于 Object 的方法,所以他们的方法表中所有从 Object 继承来的方法都指向了 Object 的数据类型。 方法表一般在类加载的
连接阶段进行初始化,准备了类的变量初始值之后,虚拟机会把该类的方法表也初始化完毕。

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