[虚拟机字节码执行引擎]2——方法调用

2018-01-06 本文已影响36人某昆

本文主要内容

方法调用
解析
分派

上一篇文章学习了虚拟机运行时栈桢结构，本文主要学习方法调用。

方法调用

方法调用并不等同于方法执行，方法调用阶段唯一的任务就是确定调用方法的版本（即选用哪一个方法），暂时不涉及方法内部的具体运行过程。

Class文件的编译过程不包括传统编译的中的连接步骤，一切方法调用在Class文件里面存储的都只是符号引用，而不是方法在实际运行时内存布局的入口地址（相当于之前所说的直接引用）。这个特性给Java带来了更强大的扩展能力，但也使得Java方法的调用过程变得相对复杂起来，需要在类加载期间甚至到运行期间才能确定目标方法的直接引用。

注意：传统编译中的连接步骤就是确定方法在内存中的入口地址

为啥说Java方法调用，需要在类加载期间甚至是运行期间才能确定呢？

Class文件在加载过程中，有一个解析阶段，解析阶段所做的事情就是把方法的符号引用转变成直接引用。但解析阶段只转化了一部分，还有一部分需要在运行期间才能确定，比如说多态，解析阶段无法确定到底运行哪个子类的方法。

解析

所有方法调用中的目标方法在Class文件里面都是一个常量池中的符号引用，在类的加载阶段，会将其中的一部分符号引用转化成直接引用。

解析能成立的前提是：方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本，并且这个方法的调用版本在运行期间是不可改变的，换句放说，调用目标在程序代码写好，编译器进行编译的时候就必须确定下来，这类方法的调用叫解析

在Java中，符合“编译期可知，运行期不可变”这个要求的方法主要有静态方法和私有方法两大类，前者与类型直接关联，后者在外部不可被访问。这两种方法不可能被重写，所以适合在类加载阶段进行解析。

与之相对应，Java虚拟机中提供了四条方法调用字节码指令：

invokestatic：调用静态方法
invokespecial：调用实例构造器<init>方法、私有方法和父类方法
invokevirtual：调用所有虚方法
invokeinterface：调用接口方法，会在运行时再确定一个实现此接口的对象。

只要是能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段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、实例构造器和父类方法四类。它们在类加载阶段就会把符号引用解析为该方法的直接引用。这些方法被称为非虚方法，与之相对的是虚方法。

public static void sayHello(){
    System.out.println("hello world");
}
public static void main(String[] args) {
    StatucResolution.sayHello();
}

例如上述方法，使用 javap 查看具体细节：

main方法中调用静态方法，就使用了invokestatic的字节码指令。

Java中的非虚方法还有另外一种，就是被final修饰的方法，虽然final方法使用invokevirtual指令来调用，但是由于它无法被覆盖，所以也无法对方法进行多态选择。

解析调用一定是一个静态过程，在编译期间完全可以确定，在类加载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部都转变成为可确定的直接引用。

分派调用则可能是静态的也可能是动态的，根据分派依据的宗量数可分为单分派和多分派。这两类分派方式两两组合就构成了静态单分派、静态多分派、动态单分派和动态多分派。

分派

Java中多态最基本的体现就是“重载”与“重写”，本章就从虚拟机角度考量虚拟机是如何确定正确的目标方法的。

1、静态分派

先查看一段代码：

public class StaticDispatch {

  static abstract class Human{}

  static class Man extends Human{}

  static class Women extends Human{};

  public void sayHello(Human guy){
      System.out.println("hello, guy");
  }

  public void sayHello(Man guy){
      System.out.println("hello, man");
  }

  public void sayHello(Women guy){
      System.out.println("hello, lady");
  }

  public static void main(String[] args) {
      Human man = new Man();
      Human woman = new Women();
      StaticDispatch dispatch = new StaticDispatch();
      dispatch.sayHello(man);
      dispatch.sayHello(woman);
  }
}

运行结果为：

我们把上述代码中的 Human 称为变量的静态类型或者外观类型，后面的 Man 则称为变量的实际类型

静态类型和实际类型在程序中都可以发生一些变化，区别是静态类型的变化仅仅在使用时发生，变量本身的静态类型不会被改变，并且最终的静态类型是在编译期可知的。而实际类型的变化的结果在运行期间才可确定，编译期间不可知。

回到前文代码中，代码中定义了3个重载方法。使用哪个重载方法，就完全取决于传入参数的数量和数据类型。

虚拟机（准确来说是编译器）在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型来作为判定依据的，Javac编译器根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本。

所以上述代码最后选择的是 sayHello（Human）作为调用目标。

所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作，都称为静态分派，静态分派最典型的应用就是重载。静态分派发生在编译期间。

编译器虽然能确定出方法的重载版本，但很多情况下，这个重载版本并不是唯一的，往往只能确定一个“更加合适的”版本。如果参数不完全一致，会发生自动转型的操作。

2、动态分派

动态分派，它和多态的另一个重要体现 - 重写有着密切关联。

先查看下列代码：

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 women = new Woman();
      man.sayHello();
      women.sayHello();
      man = new Woman();
      man.sayHello();
  }
 }

运行结果为：

重写很明显不是根据静态分派来决定的。变量man和woman因为实际类型不同而调用了不同的方法。查看 javap 命令：

第16行和第20行分别把刚刚创建的两个对象的引用压入栈顶，这两个对象是要执行 sayHello 方法的所有者，称为接收者。第17和21行是调用方法，使用了invokevirtual指令。

invokevirtual指令的运行时解析过程大概分为以下几步：

找到操作数栈顶的第一个元素所指向对象的实际类型，记作C
在类型C中找到相符的方法，则进行访问权限校验
如果没找到，则按照继承关系从下往上对C的各个父类进行第2步的搜索和验证
如果最终还未找到，则抛出异常

由于invokevirtual指令执行的第1步就是在运行期间确定接收者的实际类型，所以两次调用中的invokevirtual指令把符号引用解析为不同的直接引用，这个过程就是Java语音重写的本质。我们把这种在运行期间根据实现类型确定方法执行版本的分派过程叫动态分派

分派过程牢记两点即可：

针对参数，采用静态分派，即根据参数的静态类型来决定调用哪个方法。针对方法接收者，采用动态分派，即根据方法接收者的实际类型，决定是调用哪个方法

3、虚拟机动态分派的实现

因为动态分派是非常频繁的动作，而且动态分派的方法版本需要在运行时搜索，因此在虚拟机的实际实现过程中基于性能的考虑，虚拟机在类的方法区建立一个虚方法表。使用虚拟方法表索引来代替无数据查找以提高性能。

虚方法表上存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，那么子类和父类的方法地址入口是一样的，都指向父类的实现入口。如果子类重写了这个方法，子类方法表中的地址将会被替换为子类版本的入口地址。

[虚拟机字节码执行引擎]2——方法调用

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