JVM--加载Java类及方法调用

1. JVM是如何加载Java类的？

加载

• 是指查找字节流，并且据此创建类的过程。
• 前面提到，对于数组类来说，它并没有对应的字节流，而是由 Java 虚拟机直接生成的。
• 对于其他的类来说，Java 虚拟机则需要借助类来说，Java 虚拟机则需要借助类加载器来完成查找字节流的过程。

连接

把类的二进制数据合并到JRE中，分为三个阶段。

1. 校验：确保Class文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
2. 准备：为被加载类的静态变量分配内存，以及构造与该类相关的方法表。
3. 解析：将符号引用转化为实际引用。

初始化

• 对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作
• 如果直接赋值的静态字段被final 所修饰，并且它的类型是基本类型或字符串时，那么字段便会被 Java 编译器标记成常量值（ConstantValue），其初始化直接由JVM 完成。除此之外的直接赋值操作，以及所有静态代码块中的代码，则会被Java 编译器置于同一方法中，并把它命名为< clinit >。

注：类的初始化触发的必要条件

• 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类；
• 当遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指定时， 如果类没有进行过初始化，则需要先触发器初始化。生成这四条指定的最常见的Java代码场景是：使用new 关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候；
• 子类的初始化会先进行父类的初始化；
• 如果一个接口定义了 default 方法，那么直接或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化；
• 使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类；
• 当初次调用MethodHandle 实例时， 初始化 该MethodHandle 指向的方法所在的类。

2. JVM如何识别目标方法的？

• 重载：同一个类中定义名字相同的方法，你们它们的参数类型必须不同。即重载的方法在编译过程中即可完成识别。
• 具体到每一个方法的调用，Java 编译器会根据所传入参数的声明类型（注意与实际类型区分）来选取重载方法。选取过程共分为三个阶段：

1. 在不考虑对基本类型自动装拆箱（auto-boxing，auto-unbonxing），以及可变长参数的情况下选取重载方法；
2. 如果在第一阶段中没有找到适配的方法， 那么在允许自动装拆箱，但不允许可变长参数的情况下选取重载方法；
3. 如果在第二阶段中没有找到适配的方法，那么在允许自动装拆箱以及可变长参数的情况下选取重载方法。

注：如果Java 编译器在同一个阶段中找到了多个适配的方法，那么它会在其中选择一个最为贴切的，而决定贴切程度的一个关键就是形式参数类型的继承关系。

• 如果子类定义了与父类中非私有方法同名的方法，而这两个方法的参数类型相同，那么这两个方法之间是什么关系？

1. 如果这两个方法都是静态的，那么子类中的方法隐藏了父类的方法。
2. 如果这两个方法都不是静态的，且都不是私有的，那么子类的方法重写了父类的方法。

3. JVM的静态绑定和动态绑定

• JVM识别方法的关键在于类名、方法名以及方法描述符（method descriptor）（方法的参数类型以及返回类型所构成）。
• JVM允许参数类型相同，返回类型不同的方法出现在同一个类中，JVM能够准确识别目标方法。
• 静态绑定（static binding）（重载）：也叫编译时多态（compile-time polymorphism），在解析时JVM 可以直接识别目标方法；
• 动态绑定（dynamic binding）（重写）：JVM 在运行过程中根据调用者的动态类型来识别目标方法。
• Java字节码中与调用相关的指令：

1. invokestatic：用于调用静态方法；
2. invokespecial：用于调用私有实例方法、构造器，以及使用super 关键字调用父类的实例方法或构造器，和所实现接口的默认方法；
3. invokevirtual：用于调用非私有实例方法；
4. invokeinterface：用于调用接口方法；
5. invokedynamic：用于调用动态方法。

注：invokestatic、invokespecial，JVM可以直接识别具体的目标方法，而invokevirtual、invokeinterface 在绝大多数情况下，JVM需要在执行过程中，根据调用者的动态类型，来确定目标的目标方法。

4. JVM调用指令的符号引用

• 在编译过程中，我们并不知道目标方法的具体内存地址。因此，Java编译器会暂时用符号引用来表示该目标方法。这一符号引用包括目标方法所在的类或者接口的名字，以及目标目标方法的方法名和方法描述符。
• 符号引用存储在class文件的常量池之中。根据目标方法是否为接口方法，这些引用可分为接口符号（InterfaceMethodref）引用和非接口符号（Methodref）引用。
• 符号引用 => 实际引用：

1. 非接口符号引用，假定该符号引用所指向的类为C，则JVM 会按照如下步骤进行查找。

1. 在C中查找符合名字及描述符的方法；
2. 如果没找到，在C 的父类中继续搜索，直至Object 类；
3. 如果没找到，在C 所直接实现或间接实现的接口中搜索，这一步搜索得到的目标方法必须是非私有、非静态的。并且，如果目标方法在间接实现的接口中，则需满足 C 与该接口之间没有其他符合条件的目标方法。如果有多个符合条件的目标方法，则任意返回其中一个。
   注：静态方法也可以通过子类来调用。此外子类的静态方法会隐藏父类找那个的同名、通描述符的静态方法。

2. 接口符号引用，假定该符号引用所指向的接口为 I，则JVM 会按照如下步骤查找。

1. 在 I 中查找符合名字及描述符的方法；
2. 如果没有找到，在 Object 类中的共有实例方法中搜索；
3. 如果没有找到，则在 I 的超接口中搜索，这一步搜索得到的目标方法必须是非私有、非静态的。并且，如果目标方法在间接实现的接口中，则需满足 C 与该接口之间没有其他符合条件的目标方法。如果有多个符合条件的目标方法，则任意返回其中一个。

5. 动态绑定策略

• 方法表（空间换时间）：其本质是一个数组，每个数组元素指向一个当前类及其祖先类中非私有的实例方法。这些方法可能是具体的、可执行的方法，也可能是没有相应字节码的抽象方法。
• （虚）方法表（virtual method table，vtable）满足两个特质：其一，子类方法表中包含父类方法表中的所有方法；其二，子类方法在方法表中的索引值，与它所重写的父类方法的索引值相同。

6. 内联缓存（inlining cache）

• 内联缓存是一种加快动态绑定的优化技术。 它能够缓存虚方法调用中调用者的动态类型，以及该类型所对应的目标方法。在之后的执行过程中，如果碰到已缓存的类型，内联缓存便会直接调用该类型所对应的目标方法。如果没有碰到已缓存的类型，内联缓存则会退化至使用基于方法表的动态绑定。
• 在针对多态的优化手段中，有三个术语：

1. 单态（monomorphic）指的是仅有一种状态的情况。
2. 多态（polymorphic）指的是有限数量种状态的情况。二态（bimorphic）是多态的其中一种。
3. 超多态（megamorphic）指的是更多种状态的情况。（通常有一个具体的数值来区分多态和超多态）

• 实现

1. 比较缓存的动态类型，如果命中，则直接调用对应的目标方法
2. 多态内联缓存则缓存了多个动态类型及其目标方法。它需要逐个将所缓存的动态类型与当前动态类型进行比较，如果命中，则调用对应的目标方法。