淺析JVM虛方法表和方法調(diào)用

在類加載器與雙親委派機(jī)制一網(wǎng)打盡一文中，我們知道 類的生命周期一般有如下圖有7個(gè)階段，其中階段1-5為類加載過(guò)程，驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析統(tǒng)稱為連接虛方法表會(huì)在類加載的連接階段被創(chuàng)建，JVM掃描類的方法信息，識(shí)別哪些是 虛方法 ，并在虛方法表中儲(chǔ)存其對(duì)應(yīng)的 方法的相關(guān)信息以及這些 方法在虛擬機(jī)內(nèi)存方法區(qū)中的入口地址 。這入口地址就是該方法的虛擬方法表的索引，JVM可以通過(guò)這個(gè)索引地址找到對(duì)應(yīng)的方法。也就是說(shuō)，每個(gè)類的對(duì)象都會(huì)擁有自己的虛方法表

那什么是虛方法和非虛方法？

非虛方法：如果方法在編譯期就確定了具體的調(diào)用版本，則這個(gè)版本在運(yùn)行時(shí)是不可變的，這樣的方法稱為非虛方法靜態(tài)方法。比如私有方法，final 方法，實(shí)例構(gòu)造器，父類方法都是非虛方法，除了這些以外都是虛方法

當(dāng)Java中發(fā)生向上轉(zhuǎn)型，呈現(xiàn)重寫(xiě)式多態(tài)時(shí)，如果子類沒(méi)有重寫(xiě)父類方法，子類并不會(huì)復(fù)制一份父類的方法到自己的虛方法表中，就會(huì)去父類的虛方法表中查找 目標(biāo)方法。

子類的重寫(xiě)的方法和父類中的同名方法在字節(jié)碼層面方法索引通常來(lái)說(shuō)是一樣的，如果在子類找到方法eat(),其索引是0，發(fā)現(xiàn)不是要調(diào)用的方法后，而是要調(diào)用父類的eat(),就會(huì)直接去父類方法索引為0的地方查找，這樣能進(jìn)一步提高查找效率。

JVM方法調(diào)用的指令

從JVM底層來(lái)了解方法調(diào)用，我們還需知曉 在JVM中和方法調(diào)用有關(guān)的指令有5種：

1. invokeinterface :調(diào)用接口中的方法，實(shí)際上是在運(yùn)行期決定的，決定到底調(diào)用實(shí)現(xiàn)該接口的哪個(gè)對(duì)象的特定方法。
2. invokestatic :調(diào)用靜態(tài)方法。
3. invokespecial : 調(diào)用 私有實(shí)例方法 、構(gòu)造器方法；使用super關(guān)鍵詞調(diào)用父類的實(shí)例方法、構(gòu)造器；調(diào)用所實(shí)現(xiàn)接口的default方法
4. invokevirtual :調(diào)用 非私有實(shí)例方法 ，也就是虛方法，運(yùn)行期動(dòng)態(tài)查找的過(guò)程。
5. invokedynamic : 調(diào)用動(dòng)態(tài)方法，JDK7新加入的一個(gè)虛擬機(jī)指令，相比于之前的四條指令，他們的分派邏輯都是固化在JVM內(nèi)部，而invokedynamic則用于處理新的方法分派：它允許應(yīng)用級(jí)別的代碼來(lái)確定執(zhí)行哪一個(gè)方法調(diào)用，只有在調(diào)用要執(zhí)行的時(shí)候，才會(huì)進(jìn)行這種判斷,從而達(dá)到動(dòng)態(tài)語(yǔ)言的支持。(Invoke dynamic method)

我們javap來(lái)反編譯上文例子生成的class文件ClassTest.class:

public com.zj.ideaprojects.demo.test4.ClassTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object.":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.Exception;
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #2                  // class com/zj/ideaprojects/demo/test4/ClassTest$Cat
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method com/zj/ideaprojects/demo/test4/ClassTest$Cat.":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: invokevirtual #4                  // Method com/zj/ideaprojects/demo/test4/ClassTest$Animal.eat:()V
        12: aload_1
        13: invokevirtual #5                  // Method com/zj/ideaprojects/demo/test4/ClassTest$Animal.work:()V
        16: return
      LineNumberTable:
        line 30: 0
        line 31: 8
        line 32: 12
        line 34: 16
    Exceptions:
      throws java.lang.Exception

我們可以發(fā)現(xiàn)：Java 中所有非私有實(shí)例方法調(diào)用都會(huì)被編譯成 invokevirtual指令，而接口方法調(diào)用都會(huì)被編譯成 invokeinterface 指令。這兩種指令，均屬于Java 虛擬機(jī)中的 虛方法調(diào)用 ，會(huì)進(jìn)行函數(shù)的動(dòng)態(tài)綁定。

invokevirtual指令在執(zhí)行時(shí)，首先在運(yùn)行期確定方法接收者的實(shí)際類型，并不是把常量池中方法的符號(hào)引用（在這里相當(dāng)于常量池里的方法信息）解析到直接引用上就結(jié)束了，而是接著根據(jù)方法接收者的實(shí)際類型來(lái)選擇方法版本，這個(gè)過(guò)程也就是Java多態(tài)的本質(zhì)。

針對(duì)于invokeinterface指令來(lái)說(shuō)，虛擬機(jī)會(huì)建立一個(gè)叫做接口方法表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(interface method table，簡(jiǎn)稱itable)，和虛方法表類似。

另外，當(dāng)我們了解invokespecial指令,invokestatic指令時(shí)，可以知曉，父類引用在調(diào)用靜態(tài)方法，私有方法或是接口default方法是不會(huì)發(fā)生多態(tài)，而是直接調(diào)用聲明類型的方法。

在Java 8中Lambda表達(dá)式和默認(rèn)方法時(shí)，底層會(huì)生成和使用 invokedynamic ，很有意思的一個(gè)指令，本文就不詳細(xì)介紹該指令了，以后有機(jī)會(huì)再講講。

小結(jié)

小結(jié)一下，本文主要講解了方法調(diào)用在Java虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式，以及虛方法表在 JVM 方法調(diào)用中充當(dāng)了一個(gè)中介的角色，使得 JVM 能夠?qū)崿F(xiàn)多態(tài)性和動(dòng)態(tài)分派。最后帶大家了解一下JVM常見(jiàn)的方法調(diào)用的指令，Java可不僅僅只有CRUD哦

參考資料：

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5.2

《Java虛擬機(jī)規(guī)范》