JAVA方法调用机制

1. 一个方法调用的例子
public class CYoungMan extends YoungMan{
    @Override
    public String meet(Object obj) {
        return "Object class";
    }
    @Override
    public String meet(String str) {
        return "String class";
    }
    public static void main(String[] args) {
        Object str = "kat";
        YoungMan ym = new CYoungMan();
        String result = ym.meet(str);
    }
}

在上面的例子中,对于方法调用ym.meet(str),我们大概知道有两个阶段:
(1)在编译阶段,根据方法接收者ym的静态类型(static type)即YoungMan,以及参数str的静态类型Object,来决定该方法调用的符号引用:YoungMan.meet:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;(见javap的字节码反汇编结果invokevirtual #7);
(2)在运行时阶段,根据方法接收者ym的实际类型(actual type)即CYoungMan以及它的继承层级,来确定方法实际引用。
上面的两个阶段分别是方法重载解析、动态分派。

说明:
1、 方法重载解析,国内一般翻译为静态分派(相对于动态分派),但实际英文文档是 Method Overload Resolution。 这里个人感觉按英文语义翻译更好,所以采用这个。

  ...
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #4                  // String kat
         2: astore_1
         3: new           #5                  // class method/invoke/CYoungMan
         6: dup
         7: invokespecial #6                  // Method "<init>":()V
        10: astore_2
        11: aload_2
        12: aload_1
        13: invokevirtual #7                  // Method method/invoke/YoungMan.meet:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
        16: astore_3
        17: return
  ...
2. 方法重载解析[1] (Method Overload Resolution)

可以看到,编译阶段能确定的、能使用的信息只有方法接收者或者入参的静态类型,以及入参静态类型的继承层次关系。对于一个确定的方法接收者及方法名的方法调用,JAVA编译器会根据入参来选取一个重载方法,这过程有三个阶段:
(1)不考虑基本类型的装箱/拆箱、以及可变长参数这两种情况,选取重载方法;
(2)如果在(1)找不到适配的方法,那么采用策略选取重载方法:允许装箱/拆箱,但排除可变长参数;
(3)如果在(2)找不到适配的方法,那么采用装箱/拆箱与可变长参数组合使用的策略;
在任何一个阶段找到重载方法的话,解析过程就结束了。
在JAVA语言规范里面,上面的过程称之为“确认潜在的适配方法”(Identify Potentially Applicable Methods),也就是说,在任一阶段可能找到多个候选的方法。
如果找到多个方法的话,再从中选择最贴切的一个。这里利用的关键信息就是入参静态类型的继承层次关系,原则就是优先选择继承路径最短的。举个简单的例子,现在有两个候选方法:m1(TypeA a)m1(TypeB b),而入参的静态类型是TypeC,三种类型的继承层次关系是TypeC->TypeB->TypeA,那么方法m1(TypeB b)肯定是最贴切的(最具体的),因为继承路径最短。

3. 动态分派 (Dynamic Dispatch)

对于重载解析中确定的方法,由于重写(和继承)特性而可能存在多个潜在的方法版本,必须在运行期按实际类型确定方法版本,即动态分派。
在运行期执行时,JVM提供了有5种方法调用字节码指令:
(1)invokestatic,调用静态方法;
(2)invokespecial,调用实例构造器<init>方法、私有方法和父类方法;
(3)invokevirtual,调用所有的虚方法;
(4)invokeinterface,调用接口方法;
(5)invokedynamic,调用动态方法;
前四种指令,均在类加载-解析阶段将符号引用解析为方法的直接引用。至于最后的invokedynamic,是在JDK7中新增的指令,目的是在JVM中更好地运行动态类型语言。简单说,就是在运行期能实现“重载方法解析+动态分派”两重功能的方法解析调用。
其中,前两个指令对应的方法,因为潜在的方法版本唯一,直接引用是具体方法的指针,在执行指令可以直接访问了,这些方法也称之为非虚方法。相反,第3、4个指令,虚方法及接口方法,得到的直接引用只是方法表的一个索引值,执行指令时还需要进一步解析,这里有两个阶段。
(1)非接口方法解析(类加载-解析阶段)
这里说下非接口方法符号引用解析为直接引用的过程。假设目标符号引用为类C,则JVM的步骤如下:

  1. 在C中查找符合名字及描述符的方法,如果有则返回方法直接引用(方法指针),结束;
  2. 如果1没有找到,按继承层次从低往高,先从C的父类中继续搜索,直至Object类,如果有则返回方法直接引用(方法表索引值),结束;
  3. 如果2没有找到,在C实现的接口列表及他们父接口中搜索,如果找到,还要满足一条限制【若C不是抽象类,结果必须不能为抽象方法,不然报错AbstractMethodError】才能返回。
  4. 如果最后都没找到,报错NoSuchMethodError。
    当然,过程找到的方法必须具备访问权限了,不然报错IllegalAccessError。接口方法解析也是类似的原理。

(2)invokevirtual 的解析过程(指令执行阶段)

  1. 确定操作数栈顶第一个元素的所指向的对象实际类型,设为C;
  2. 在C中查找符合名字及描述符的方法,如果有则返回方法直接引用(方法指针),结束;
  3. 如果1没有找到,按继承层次从低往高,先从C的父类中继续搜索,直至Object类,如果有则返回方法直接引用(方法指针),结束;
    这个过程其实跟类加载的方法解析是类似的,都是在类继承层次上按图索骥。可以看到,这里涉及逐层的搜索,性能是堪忧的,因此在虚拟机的实际实现中会采用空间换时间的策略,构建虚方法表(对于invokeinterface,则是接口方法表),使用虚方法表索引来替代层层搜索。
4. 方法表

在前面提到,方法表是用来加速类加载阶段的方法解析、虚方法/接口方法指令的解析过程的,所以方法表的构建一定是在类加载过程的解析阶段之前。
你大概猜到了,是的,是在准备阶段,除了为静态字段分配内存外,还构造了类的方法表。
方法表[2]的构建过程就不赘言了,下面列一下它的两点特征:

  1. 本质上是一个数组,元素指向当前类或者祖先类的方法(方法引用);
  2. 子类方法表包含父类方法表中所有方法,如果某个方法在子类中没有被重写,则方法引用与父类的一致,否则用自己实现的方法替换父类的;
    相当于把一个分层结构水平铺开,无论类加载的方法解析还是虚方法调用指令的解析,只需要在当前实际类型的方法表中遍历搜索即可,不需要层层递归搜索了。

问题与讨论:
1、对包装类型拆箱,不考虑空指针问题,相当于把问题抛给coder?

参考文献

  1. Compile-Time Step 2: Determine Method Signature
  2. 虚方法表结构源码
  3. 深入理解Java虚拟机(第2版)
  4. 极客时间付费课程-深入拆解 Java 虚拟机
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