方法調用的主要任務就是確定被調用方法的版本(即調用哪一個方法),該過程不涉及方法具體的運行過程。class文件的編譯過程中不包含傳統編譯中的連接步驟,一切方法調用在class文件中存儲的都是符號引用,而不是方法在實際運行時內存布局中的入口地址,這使得java有著更強大的動態擴展能力,但也使得java方法的調用過程變得相對復雜起來,需要在類的加載甚至運行期間才能確定目標方法的直接引用。 按照調用方式共分為兩類:
解析調用時是靜態的過程,在編譯期間就完全確定目標方法。分派調用則即可能是靜態,也可能是動態的,根據分派標準可以分為單分派和多分派。兩兩組合有形成了靜態單分派、靜態多分派、動態單分派、動態多分派在Class文件中,所有方法調用中的目標方法都是常量池中的符號引用,在類加載的解析階段,會將一部分符號引用轉為直接引用,也就是在編譯階段就能夠確定唯一的目標方法,這類方法的調用成為解析調用。此類方法主要包括靜態方法和私有方法兩大類,前者與類型直接關聯,后者在外部不可訪問,因此決定了他們都不可能通過繼承或者別的方式重寫該方法,符合這兩類的方法主要有以下幾種:靜態方法、私有方法、實例構造器、父類方法。虛擬機中提供了以下幾條方法調用指令:
invokestatic:調用靜態方法,解析階段確定唯一方法版本invokespecial:調用<init>方法、私有及父類方法,解析階段確定唯一方法版本invokevirtual:調用所有虛方法invokeinterface:調用接口方法invokedynamic:動態解析出需要調用的方法,然后執行前四條指令固化在虛擬機內部,方法的調用執行不可認為干預,而invokedynamic指令則支持由用戶確定方法版本。
其中invokestatic指令和invokespecial指令調用的方法稱為非虛方法,其余的(final修飾的除外)稱為虛方法。
雖然final方法是使用invokevirtual指令來調用,但是它無法被覆蓋,沒有其他版本,所以也無須對方法接收者進行多態選擇,又說多態選擇的結果肯定是唯一的。
依賴靜態類型來定位方法執行版本的分派動作,稱為靜態分派。靜態分派的最典型的應用就是方法重載。
靜態分派發生在編譯階段,因此確定靜態分派的動作實際上不是由虛擬機來執行的。
在運行期間根據實際類型來確定方法執行版本的分派調用過程稱為動態分派。這跟多態性的另一個體現——重寫有著很密切的關聯。
分別把剛剛創建的兩個對象的引用壓到棧頂,這兩個對象是將要執行的方法的所有者,稱為接收者;然后是是方法調用指令,這兩條調用指令單從字節碼角度來看,無論是指令(都是invokevirtual)還是參數完全一樣的,但是這兩句指令最終執行的目標方法并不相同。
原因就需要從invokevirtual指令的多態查找過程開始說起,invokevirtual指令的運行時解析過程大致分為以下幾個步驟:
找到操作數棧頂的第一個元素所指向的對象的實際類型,記作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,則進行訪問權限校驗,如果通過則返回這個方法的直接引用,查找過程結束;如果不通過,則返回java.lang.IllegalaccessError異常。否則,按照繼承關系從下往上依次對C的各個父類進行第2步的搜索和驗證過程。 如果始終沒有找到合適的方法,則拋出java.lang.AbstractMethodError異常。由于invokevirtual指令執行的第一步就是在運行期確定接收者的實際類型,所以兩次調用中的invokevirtual指令把常量池中的類方法符號引用解析到了不同的直接引用上,這個過程就是Java語言中方法重寫的本質。我們把這種在運行期根據實際類型確定方法執行版本的分派過程稱為動態分派。
方法的接收者與方法的參數統稱為方法的宗量。根據分派基于多少種宗量,可以將分派劃分為單分派和多分派兩種。單分派是根據一個宗量對目標方法進行選擇,多分派則是根據多于一個宗量對目標方法進行選擇。
Java語言的靜態分派屬于多分派類型。 Java語言的動態分派屬于單分派類型。
由于動態分派是非常頻繁的動作,而且動態分派的方法版本選擇過程需要運行時在類的方法元數據中搜索合適的目標方法,因此在虛擬機的實際實現中基于性能的考慮,大部分實現都不會真正地進行如此頻繁的搜索。面對這種情況,最常用的“穩定優化”手段就是為類在方法區中建立一個虛方法表(Vritual Method Table,也稱為vtable,與此對應的,在invokeinterface執行時也會用到接口方法表——Inteface Method Table,簡稱itable),使用虛方法表索引來代替元數據查找以提高性能。
虛方法表中存放著各個方法的實際入口地址。如果某個方法在子類中沒有被重寫,那子類的虛方法表里面的地址入口和父類相同方法的地址入口是一致的,都指向父類的實現入口。如果子類中重寫了這個方法,子類方法表中的地址將會替換為指向子類實現版本的入口地址。
為了程序實現上的方便,具有相同簽名的方法,在父類、子類的虛方法表中都應當具有一樣的索引序號,這樣當類型變換時,僅需要變更查找的方法表,就可以從不同的虛方法表中按索引轉換出所需的入口地址。方法表一般在類加載的連接階段進行初始化,準備了類的變量初始值后,虛擬機會把該類的方法表也初始化完畢。
ps:方法表是分派調用的“穩定優化”手段,虛擬機除了使用方法表之外,在條件允許的情況下,還會使用內聯緩存(Inline Cache)和基于“類型繼承關系分析”(Class Hierarchy Analysis,CHA)技術的守護內聯(Guarded Inlining)兩種非穩定的“激進優化”手段來獲得更高的性能,關于這兩種優化技術的原理和運作過程,可以參考JIT晚期運行期。
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