JVM：方法调用

Posted 2022-08-21 jrookie

JVM(十二)：方法调用

在 JVM(七)：JVM内存结构 中，我们说到了方法执行在何种内存结构上执行：Java 方法活动在虚拟机栈中的栈帧上，栈帧的具体结构在内存结构中已经详细讲解过了，下面就让我们来看一下 方法是如何调用的。

方法调用

首先，我们要明白一个基础性概念：方法调用并不是方法执行。其只是确定该调用哪一个方法而已（多态的影响，选择方法的不同版本）。并且因为 Java 调用的动态性，有些方法需要在类加载阶段动态解析，这也为 JVM 解析符号引用成直接引用提供了难度。

解析

在 JVM(五):探究类加载过程-上 中，我们说过在类加载过程的解析阶段， JVM 会将符号引用转变为直接引用。但这需要方法在程序真正运行的之前就有一个 可确定 的版本，且这个版本在整个运行期间是不可更改的。这种在类加载阶段就能解析出的方法调用被称为 解析。

解析条件

满足解析条件的方法在 Java 语言中有 静态方法 和 私有方法 两类。前者与类类型直接关联，后者在外部无法被访问。这种特性也使得其不可能通过继承或别的方式来重写其版本，因此适合在解析阶段就进行处理。

在 JVM 内部与之相对应的就是invokestatic 和 invokespecial 两种字节码指令。这两种指令对应的就是 调用静态方法 、调用实例构造器 、 私有方法 、 父类方法。 在执行这四类方法时，在类加载的解析阶段就会将符号引用直接转变为直接引用。

上述的这些方法也被称为 非虚方法 。

满足加载阶段解析的还有一个特殊的方法为 final方法，因为其无法被覆盖，也没有其他版本，因此虽然其是用 invokevirtual 来调用，其也是一种 非虚方法，可以在编译期间就完全确定。

分派

分派则是在程序运行的期间才能确定调用哪个版本的方法。其也揭示了 重载 和 重写 的本质。下面就让我们来看一下其在 JVM 内是如何实现的。

静态分派

// 代码参考自<<深入理解Java虚拟机>>
public class Demo 
    static class Human

        public void overWriteDemo()
            System.out.println("human overWriteDemo");
        

    
    static class Man extends Human 
        @Override
        public void overWriteDemo()
            System.out.println("Man overWriteDemo");
        

    
    static class Woman extends Human
        @Override
        public void overWriteDemo()
            System.out.println("Woman overWriteDemo");
        

    

    public  void sayHello(Human human)
        System.out.println("human");
    
    public  void sayHello(Man man)
        System.out.println("Man");
    
    public  void sayHello(Woman woman)
        System.out.println("Woman");
    

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        Demo demo = new Demo();
        demo.sayHello(man);
        demo.sayHello(woman);
        

首先各位读者可以看一下以下代码输出的是什么。

读者可以带着您这边的答案来看下一些概念。上面的 Human 我们称之为变量的 静态类型，或者叫做变量的 外观类型 。后面的 Man 或 Women 我们则称之为变量的 实际类型。

对应这两种类型，变量的静态类型是本身不变的，只有在使用的时候才可以对其进行改变使用，而且最终的静态类型在编译期就可知，如

    demo.sayHello((Man)man);
    demo.sayHello((Women)man);

这样就可以在使用的时候，使用指定的类型，但其变量本身的属性还是不会更改。

这种语法对应就是 Java 语言中的 重载 语法，虚拟机是通过参数的 静态类型 来确定该调用哪个版本的方法。

现在回到代码输出结果上,第一次代码输出的结果为

Human
Human

第二次代码输出结果为:

Man
Women

动态分派

// 为了节约篇幅,前面的内容就不复制了,只是在调用的时候更改了一下代码,如下所示:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
      
        man.overWriteDemo();
        woman.overWriteDemo();
        
        man = new Woman();
        man.overWriteDemo();
        

现在读者再来看一下以上这段代码的输出结果是什么，带着心中的答案我们再来看一下 动态分派 的概念。

通过javap分析其字节码表现，我们发现其调用的是invokevirtual指令 , 而invokevirtual在调用的时候，运行时解析步骤为以下方式：

1. 找到元素找到的实际类型,记为 C
2. 如果在类型 C 中找到签名相符的方法 , 则进行权限校验。 如果通过 , 则返回其对应引用 , 如果没通过 , 则抛出异常；
3. 在第二步中 , 如果没找到相符的方法 , 则从 C 从下而上地对其父类进行查找和验证;
4. 如果仍旧没有找到 , 则抛出异常 .

通过以上者多层的步骤推进 , 则可以找到实际调用的对象类型,从而决定调用哪个版本的方法。

实现方式

上面我们看到了动态多态的实现逻辑,现在我们来看一下在 JVM 内是如何实现这个过程的.

首先，我们看到该过程需要逐层搜索以找到对应类。但是如果在实际调用过程中，这样逐层的搜索是会影响性能的。因此，面对这种情况，JVM 采用了虚方法表 的形式来实现。在虚方法表中存储了每个方法的实际地址。

方法执行

Java 执行方法分为 解释执行(通过解释器执行) 和 编译执行(通过编译器编译为本地代码执行)两种。

在本文中，我们着重讲一下在解释执行的过程中，JVM 内部是如何实现的。至于编译执行，因为还涉及到 JIT 的优化等概念。放在后面的 编译优化 章节再详细叙说。

基于栈的执行模型

方法执行的过程其实就是在执行 Class 中字节码的指令集部分，而从 # JVM(六):探究类加载过程-下 中，我们已经看到指令集的大部分组成部分，都是零地址指令。那么什么是零地址指令呢，下面给大家举个例子：

iconst_1
iconst_1
iadd
istore_0

以上这段代码就是一段零地址指令，其含义为计算1+1的结果，具体操作过程为：

1. 首先将 1 入栈
2. 将另一个 1 入栈
3. 将栈顶的两个元素相加，并将计算结果重新入栈
4. 将栈顶元素（结果），放入局部变量表中 slot0 位置

基于寄存器的执行模型

而另外还有一种基于寄存器的执行方式，比如上面这段代码如果用寄存器的方式来实现就是如下所示：

mov eax,1
add eax,1

这段指令集的内容就是:

1. 将 EAX 寄存器的值设为 1；
2. add 指令将eax的值+1，然后结果就保存在eax寄存器上。

执行模型对比

我们很难说清楚两种设计理念哪个更加的好，因为在现如今，两套指令集都在茁壮发展中，因此肯定都有各自的优点，接下来就让我们看一下其各自的优点是什么。

首先既然是基于栈的，那么其最大的优点应该就是 可移植，因为寄存器是与硬件息息相关的，其会受到硬件寄存器的数量等原因限制；其次在栈结构中，大部分指令都是零地址的，那么其第二个优点就是 代码更加的紧凑，而寄存器这样的指令集还需要带上多个参数；最后基于栈的模型，编译器 实现起来也会更加简单，因为所有的操作都是在栈上进行，不需要考虑内存空间分配的问题。

而对寄存器模型来说，其最大的优点就是 执行速度块，因为基于栈来操作的话，同样的操作，基于栈要比基于寄存器来说， 多出大量的指令内容，并且需要频繁的 出栈入栈操作，也就是大量的内存访问操作， 这都会影响指令执行的效率。而这也是所有主流物理机都使用基于寄存器来实现指令集的原因。

总结

在本文中，我们讲述了方法调用和方式执行的过程，与# JVM(七):JVM内存结构 中方法执行时涉及到的内存结构相结合，这三者，使我们详细理清了 Java 程序执行一个方法的全过程，希望读者们以后在写代码中，可以在脑海中清晰地明白这个过程。

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本系列文章主要借鉴自《深入分析 JavaWeb 技术内幕》和《深入理解 Java 虚拟机-JVM 高级特性与最佳实践》。