揭密 Java方法調(diào)用的底層原理

我們在日常開發(fā)中，其實很少去關(guān)注字節(jié)碼層面的東西。但，作為我們的吃飯家伙，個人覺得還是很有必要了解的。

Java源碼(我們開發(fā)出來的.java結(jié)尾的文章)在運行之前都要編譯成為字節(jié)碼格式（如.class文件），然后由ClassLoader將字節(jié)碼載入運行。在字節(jié)碼文件中，指令代碼只是其中的一部分，里面還記錄了字節(jié)碼文件的編譯版本、常量池、訪問權(quán)限、所有成員變量和成員方法等信息。

Java指令是基于棧的體系結(jié)構(gòu)，大部分的指令默認的操作數(shù)在棧中。映像中ARM是基于寄存器的操作指令，而x86好像是混合寄存器和存儲器的，發(fā)現(xiàn)基于棧的操作指令確實簡單，學起來很快。

我的理解，網(wǎng)絡(luò)是Java一個非常重要的特性，而且Java在設(shè)計之初就認為字節(jié)碼是要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)模瑸榱藴p少網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，字節(jié)碼就要盡量設(shè)計精簡、緊湊。因而Java增加了很多重復(fù)指令，比如盡量減少操作數(shù)，因而我們會發(fā)現(xiàn)Java的很多指令都是沒有操作數(shù)的；并且指令中的操作數(shù)基本上都是當無法將值放到棧中的數(shù)據(jù)，比如局部變量的索引號和常量池中的索引號。

字節(jié)碼結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)

在開始之前，我們先簡要地介紹一下class文件的內(nèi)容。關(guān)于class 文件結(jié)構(gòu)的資料已經(jīng)非常多了，這里不再展開講解了。

官網(wǎng)：

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-4.html

大體介紹如下：

下面來簡單介紹一下圖中的一些關(guān)鍵字：

magic：魔法數(shù)字，用于標識當前 class 的文件格式，JVM 可據(jù)此判斷該文件是否可以被解析，目前固定為?0xCAFEBABE。

major_version：主版本號。

minor_version：副版本號，這兩個版本號用來標識編譯時的 JDK 版本，常見的一個異常比如?Unsupported major.minor version 52.0?就是因為運行時的 JDK 版本低于編譯時的 JDK 版本（52 是 Java 8 的主版本號）。

constant_pool_count：常量池計數(shù)器，等于常量池中的成員數(shù)加 1。

constant_pool：常量池，是一種表結(jié)構(gòu)，包含 class 文件結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)中引用的所有字符串常量，類或者接口名，字段名和其他常量。

access_flags：表示某個類或者接口的訪問權(quán)限和屬性。

this_class：類索引，該值必須是對常量池中某個常量的一個有效索引值，該索引處的成員必須是一個?CONSTANT_Class_info類型的結(jié)構(gòu)體，表示這個 class 文件所定義的類和接口。

super_class：父類索引。

interfaces_count：接口計數(shù)器，表示當前類或者接口直接繼承接口的數(shù)量。

interfaces：接口表，是一個表結(jié)構(gòu)，成員同 this_class，是對常量池中 CONSTANT_Class_info 類型的一個有效索引值。

fields_count：字段計數(shù)器，當前 class 文件所有字段的數(shù)量。

fields：字段表，是一個表結(jié)構(gòu)，表中每個成員必須是 filed_info 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于表示當前類或者接口的某個字段的完整描述，但它不包含從父類或者父接口繼承的字段。

methods_count：方法計數(shù)器，表示當前類方法表的成員個數(shù)。

methods：方法表，是一個表結(jié)構(gòu)，表中每個成員必須是?method_info?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于表示當前類或者接口的某個方法的完整描述。

attributes_count：屬性計數(shù)器，表示當前 class 文件?attributes屬性表的成員個數(shù)。

attributes：屬性表，是一個表結(jié)構(gòu)，表中每個成員必須是?attribute_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這里的屬性是對 class 文件本身，方法或者字段的補充描述，比如?SourceFile?屬性用于表示 class 文件的源代碼文件名。

當然，class 文件結(jié)構(gòu)的細節(jié)是非常多的，如上圖，展示了一個簡單方法的字節(jié)碼描述，可以看到真正的執(zhí)行指令在整個文件結(jié)構(gòu)中的位置。

實際觀測

為了避免枯燥的二進制對比分析，直接定位到真正的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這里介紹一個小工具，使用這種方式學習字節(jié)碼會節(jié)省很多時間。這個工具就是?asmtools，官網(wǎng)

https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/asmtools

為了方便使用，我已經(jīng)編譯了一個 jar 包，放在了倉庫里。

執(zhí)行下面的命令，將看到類的?JCOD?語法結(jié)果。

java?-jar?asmtools-7.0.jar?jdec?LambdaDemo.class??

輸出的結(jié)果類似于下面的結(jié)構(gòu)，它與我們上面介紹的字節(jié)碼組成是一一對應(yīng)的，對照官網(wǎng)或者資料去學習，速度飛快。若想要細挖字節(jié)碼，一定要掌握好它。

class?LambdaDemo?{??
??0xCAFEBABE;??
??0;?//?minor?version??
??52;?//?version??
??[]?{?//?Constant?Pool??
????;?//?first?element?is?empty??
????Method?#8?#25;?//?#1??
????InvokeDynamic?0s?#30;?//?#2??
????InterfaceMethod?#31?#32;?//?#3??
????Field?#33?#34;?//?#4??
????String?#35;?//?#5??
????Method?#36?#37;?//?#6??
????class?#38;?//?#7??
????class?#39;?//?#8??
????Utf8?"";?//?#9??
????Utf8?"()V";?//?#10??
????Utf8?"Code";?//?#11??

了解了類的文件組織方式，下面我們來看一下，類文件在加載到內(nèi)存中以后，是一個怎樣的表現(xiàn)形式。

內(nèi)存表示

準備以下代碼，使用javac -g InvokeDemo.java進行編譯，然后使用 java 命令執(zhí)行。程序?qū)⒆枞?sleep 函數(shù)上，我們來看一下它的內(nèi)存分布：

interface?I?{??
????default?void?infMethod()?{?}??
??
????void?inf();??
}??
??
abstract?class?Abs?{??
????abstract?void?abs();??
}??
??
public?class?InvokeDemo?extends?Abs?implements?I?{??
??
??
????static?void?staticMethod()?{?}??
??
????private?void?privateMethod()?{?}??
??
????public?void?publicMethod()?{?}??
??
????@Override??
????public?void?inf()?{?}??
??
????@Override??
????void?abs()?{?}??
??
????public?static?void?main(String[]?args)?throws?Exception{??
????????InvokeDemo?demo?=?new?InvokeDemo();??
??
????????InvokeDemo.staticMethod();??
????????demo.abs();??
????????((Abs)?demo).abs();??
????????demo.inf();??
????????((I)?demo).inf();??
????????demo.privateMethod();??
????????demo.publicMethod();??
????????demo.infMethod();??
????????((I)?demo).infMethod();??
??
??
????????Thread.sleep(Integer.MAX_VAL)??
????}??
}??

為了更加明顯的看到這個過程，下面介紹一個jhsdb工具，這是在 Java 9 之后 JDK 先加入的調(diào)試工具，我們可以在命令行中使用jhsdb hsdb來啟動它。注意，要加載相應(yīng)的進程時，必須確保是同一個版本的應(yīng)用進程，否則會產(chǎn)生報錯。

attach 啟動 Java 進程后，可以在?Class Browser菜單中查看加載的所有類信息。我們在搜索框中輸入InvokeDemo，找到要查看的類。

@符號后面的，就是具體的內(nèi)存地址，我們可以復(fù)制一個，然后在?Inspector 視圖中查看具體的屬性，可以大體認為這就是類在方法區(qū)的具體存儲。

在?Inspector?視圖中，我們找到方法相關(guān)的屬性?_methods，可惜它無法點開，也無法查看。

接下來使用命令行來檢查這個數(shù)組里面的值。打開菜單中的Console，然后輸入examine?命令，可以看到這個數(shù)組里的內(nèi)容，對應(yīng)的地址就是 Class 視圖中的方法地址。

examine?0x000000010e650570/10

我們可以在 Inspect 視圖中看到方法所對應(yīng)的內(nèi)存信息，這確實是一個 Method 方法的表示。

相比較起來，對象就簡單了，它只需要保存一個到達 Class 對象的指針即可。我們需要先從對象視圖中進入，然后找到它，一步步進入 Inspect 視圖。

由以上的這些分析，可以得出下面這張圖。執(zhí)行引擎想要運行某個對象的方法，需要先在棧上找到這個對象的引用，然后再通過對象的指針，找到相應(yīng)的方法字節(jié)碼。

方法調(diào)用指令

關(guān)于方法的調(diào)用，Java 共提供了 5 個指令，來調(diào)用不同類型的函數(shù)：

• invokestatic?用來調(diào)用靜態(tài)方法；

• invokevirtual?用于調(diào)用非私有實例方法，比如 public 和 protected，大多數(shù)方法調(diào)用屬于這一種；

• invokeinterface和上面這條指令類似，不過作用于接口類；

• invokespecial用于調(diào)用私有實例方法、構(gòu)造器及 super 關(guān)鍵字等；

• invokedynamic用于調(diào)用動態(tài)方法。

我們依然使用上面的代碼片段來看一下前四個指令的使用場景。代碼中包含一個接口 I、一個抽象類 Abs、一個實現(xiàn)和繼承了兩者類的InvokeDemo。

回想類加載機制，在 class 文件被加載到方法區(qū)以后，就完成了從符號引用到具體地址的轉(zhuǎn)換過程。

我們可以看一下編譯后的 main 方法字節(jié)碼，尤其需要注意的是對于接口方法的調(diào)用。使用實例對象直接調(diào)用，和強制轉(zhuǎn)化成接口調(diào)用，所調(diào)用的字節(jié)碼指令分別是invokevirtual和invokeinterface，它們是有所不同的。

public?static?void?main(java.lang.String[]);??
????descriptor:?([Ljava/lang/String;)V??
????flags:?ACC_PUBLIC,?ACC_STATIC??
????Code:??
??????stack=2,?locals=2,?args_size=1??
?????????0:?new???????????#2??????????????????//?class?InvokeDemo??
?????????3:?dup??
?????????4:?invokespecial?#3??????????????????//?Method?"":()V??
?????????7:?astore_1??
?????????8:?invokestatic??#4??????????????????//?Method?staticMethod:()V??
????????11:?aload_1??
????????12:?invokevirtual?#5??????????????????//?Method?abs:()V??
????????15:?aload_1??
????????16:?invokevirtual?#6??????????????????//?Method?Abs.abs:()V??
????????19:?aload_1??
????????20:?invokevirtual?#7??????????????????//?Method?inf:()V??
????????23:?aload_1??
????????24:?invokeinterface?#8,??1????????????//?InterfaceMethod?I.inf:()V??
????????29:?aload_1??
????????30:?invokespecial?#9??????????????????//?Method?privateMethod:()V??
????????33:?aload_1??
????????34:?invokevirtual?#10?????????????????//?Method?publicMethod:()V??
????????37:?aload_1??
????????38:?invokevirtual?#11?????????????????//?Method?infMethod:()V??
????????41:?aload_1??
????????42:?invokeinterface?#12,??1???????????//?InterfaceMethod?I.infMethod:()V??
????????47:?return??

另外還有一點，和我們想象中的不同，大多數(shù)普通方法調(diào)用，使用的是?invokevirtual指令，它其實和invokeinterface是一類的，都屬于虛方法調(diào)用。很多時候，JVM 需要根據(jù)調(diào)用者的動態(tài)類型，來確定調(diào)用的目標方法，這就是動態(tài)綁定的過程。

invokevirtual指令有多態(tài)查找的機制，該指令運行時，解析過程如下：

• 找到操作數(shù)棧頂?shù)牡谝粋€元素所指向的對象實際類型，記做 c；

• 如果在類型 c 中找到與常量中的描述符和簡單名稱都相符的方法，則進行訪問權(quán)限校驗，如果通過則返回這個方法直接引用，查找過程結(jié)束，不通過則返回?java.lang.IllegalAccessError；

• 否則，按照繼承關(guān)系從下往上依次對 c 的各個父類進行第二步的搜索和驗證過程；

• 如果始終沒找到合適的方法，則拋出?java.lang.AbstractMethodError異常，這就是 Java 語言中方法重寫的本質(zhì)。

相對比，invokestatic?指令加上invokespecial指令，就屬于靜態(tài)綁定過程。

所以靜態(tài)綁定，指的是能夠直接識別目標方法的情況，而動態(tài)綁定指的是需要在運行過程中根據(jù)調(diào)用者的類型來確定目標方法的情況。

可以想象，相對于靜態(tài)綁定的方法調(diào)用來說，動態(tài)綁定的調(diào)用會更加耗時一些。由于方法的調(diào)用非常的頻繁，JVM 對動態(tài)調(diào)用的代碼進行了比較多的優(yōu)化，比如使用方法表來加快對具體方法的尋址，以及使用更快的緩沖區(qū)來直接尋址（ 內(nèi)聯(lián)緩存）。

invokedynamic

有時候在寫一些Python?腳本或者JS 腳本時，特別羨慕這些動態(tài)語言。如果把查找目標方法的決定權(quán)，從虛擬機轉(zhuǎn)嫁給用戶代碼，我們就會有更高的自由度。

之所以單獨把?invokedynamic抽離出來介紹，是因為它比較復(fù)雜。和反射類似，它用于一些動態(tài)的調(diào)用場景，但它和反射有著本質(zhì)的不同，效率也比反射要高得多。

這個指令通常在?Lambda語法中出現(xiàn)，我們來看一下一小段代碼：

public?class?LambdaDemo?{??
????public?static?void?main(String[]?args)?{??
????????Runnable?r?=?()?->?System.out.println("Hello?Lambda");??
????????r.run();??
????}??
}??

使用javap -p -v命令可以在 main 方法中看到invokedynamic指令：

public?static?void?main(java.lang.String[]);??
????descriptor:?([Ljava/lang/String;)V??
????flags:?ACC_PUBLIC,?ACC_STATIC??
????Code:??
??????stack=1,?locals=2,?args_size=1??
?????????0:?invokedynamic?#2,??0??????????????//?InvokeDynamic?#0:run:()Ljava/lang/Runnable;??
?????????5:?astore_1??
?????????6:?aload_1??
?????????7:?invokeinterface?#3,??1????????????//?InterfaceMethod?java/lang/Runnable.run:()V??
????????12:?return??

另外，我們在javap?的輸出中找到了一些奇怪的東西：

BootstrapMethods:??
??0:?#27?invokestatic?java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:??
??(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang??
??/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/??
??MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;??
????Method?arguments:??
??????#28?()V??
??????#29?invokestatic?LambdaDemo.lambda$main$0:()V??
??????#28?()V??

BootstrapMethods屬性在 Java 1.7 以后才有，位于類文件的屬性列表中，這個屬性用于保存invokedynamic指令引用的引導方法限定符。

和上面介紹的四個指令不同，invokedynamic并沒有確切的接受對象，取而代之的，是一個叫CallSite的對象。

static?CallSite?bootstrap(MethodHandles.Lookup?caller,?String?name,?MethodType?type);??

其實，invokedynamic?指令的底層，是使用方法句柄（MethodHandle）來實現(xiàn)的。方法句柄是一個能夠被執(zhí)行的引用，它可以指向靜態(tài)方法和實例方法，以及虛構(gòu)的 get 和 set 方法，從?IDEA?中可以看到這些函數(shù)。

句柄類型（MethodType）是我們對方法的具體描述，配合方法名稱，能夠定位到一類函數(shù)。訪問方法句柄和調(diào)用原來的指令基本一致，但它的調(diào)用異常，包括一些權(quán)限檢查，在運行時才能被發(fā)現(xiàn)。

下面這段代碼，可以完成一些動態(tài)語言的特性，通過方法名稱和傳入的對象主體，進行不同的調(diào)用，而 Bike 和 Man 類，可以沒有任何關(guān)系。

import?java.lang.invoke.MethodHandle;??
import?java.lang.invoke.MethodHandles;??
import?java.lang.invoke.MethodType;??
??
public?class?MethodHandleDemo?{??
????static?class?Bike?{??
????????String?sound()?{??
????????????return?"ding?ding";??
????????}??
????}??
??
????static?class?Animal?{??
????????String?sound()?{??
????????????return?"wow?wow";??
????????}??
????}??
??
??
????static?class?Man?extends?Animal?{??
????????@Override??
????????String?sound()?{??
????????????return?"hou?hou";??
????????}??
????}??
??
??
????String?sound(Object?o)?throws?Throwable?{??
????????MethodHandles.Lookup?lookup?=?MethodHandles.lookup();??
????????MethodType?methodType?=?MethodType.methodType(String.class);??
????????MethodHandle?methodHandle?=?lookup.findVirtual(o.getClass(),?"sound",?methodType);??
??
????????String?obj?=?(String)?methodHandle.invoke(o);??
????????return?obj;??
????}??
??
????public?static?void?main(String[]?args)?throws?Throwable?{??
????????String?str?=?new?MethodHandleDemo().sound(new?Bike());??
????????System.out.println(str);??
????????str?=?new?MethodHandleDemo().sound(new?Animal());??
????????System.out.println(str);??
????????str?=?new?MethodHandleDemo().sound(new?Man());??
????????System.out.println(str);??
????}??
}??

可以看到Lambda語言實際上是通過方法句柄來完成的，在調(diào)用鏈上自然也多了一些調(diào)用步驟，那么在性能上，是否就意味著 Lambda 性能低呢？對于大部分“非捕獲”的 Lambda 表達式來說，JIT 編譯器的逃逸分析能夠優(yōu)化這部分差異，性能和傳統(tǒng)方式無異；但對于“捕獲型”的表達式來說，則需要通過方法句柄，不斷地生成適配器，性能自然就低了很多（不過和便捷性相比，一丁點性能損失是可接受的）。

除了Lambda表達式，我們還沒有其他的方式來產(chǎn)生invokedynamic指令。但可以使用一些外部的字節(jié)碼修改工具，比如ASM，來生成一些帶有這個指令的字節(jié)碼，這通常能夠完成一些非常酷的功能，比如完成一門弱類型檢查的?JVM-Base語言。

總結(jié)

從 Java 字節(jié)碼的頂層結(jié)構(gòu)介紹開始，通過一個實際代碼，了解了類加載以后，在?JVM內(nèi)存里的表現(xiàn)形式，并學習了?jhsdb?對 Java 進程的觀測方式。

關(guān)于每個字節(jié)代碼的含義，我建議給大家推薦一個已經(jīng)翻譯好的字節(jié)碼對應(yīng)表：

字節(jié)碼指令有200來個，所以這里就不一一貼出來了。如果想了解更多字節(jié)碼相關(guān)文章，我給大家找了一個博客：

http://www.blogjava.net/DLevin/category/48888.html

建議自己寫一個簡單Java代碼，然后通過文章提到的命令，在結(jié)合我給大家推薦博客，看起來你會覺得很爽。

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