方法調(diào)用：一看就懂，一問(wèn)就懵？

作者：阿Q 2021-05-14 07:11:49

我們之前說(shuō)過(guò)在類加載的解析階段，會(huì)將一部分的符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用，該解析成立的前提是：方法在程序真正運(yùn)行之前就已經(jīng)有一個(gè)可確定的調(diào)用版本，并且這個(gè)方法的調(diào)用版本在運(yùn)行期是不可改變的。

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方法調(diào)用是不是很熟悉?那你真的了解它嗎?今天就讓我們來(lái)盤一下它。

首先大家要明確一個(gè)概念，此處的方法調(diào)用并不是方法中的代碼被執(zhí)行，而是要確定被調(diào)用方法的版本，即最終會(huì)調(diào)用哪一個(gè)方法。

上篇文章中我們了解到，class字節(jié)碼文件中的方法的調(diào)用都只是符號(hào)引用，而不是直接引用(方法在實(shí)際運(yùn)行時(shí)內(nèi)存布局中的入口地址)，要實(shí)現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)化，就不得不提到解析和分派了。

解析

看到這個(gè)前提條件，有沒(méi)有小伙伴聯(lián)想到對(duì)象的多態(tài)性?圖片沒(méi)錯(cuò)，就是這樣，在java中能滿足不被重寫的方法有靜態(tài)方法、私有方法(不能被外部訪問(wèn))、實(shí)例構(gòu)造器和被final修飾的方法，因此它們都適合在類加載階段進(jìn)行解析，另外通過(guò)this或者super調(diào)用的父類方法也是在類加載階段進(jìn)行解析的。

指令集

調(diào)用不同類型的方法，字節(jié)碼指令集里設(shè)置了不同的指令，在jvm里面提供了5條方法調(diào)用字節(jié)碼指令：

invokestatic：調(diào)用靜態(tài)方法，解析階段確定唯一方法版本
invokespecial：實(shí)例構(gòu)造器init方法、私有及父類方法，解析階段確定唯一方法版本
invokevirtual：調(diào)用所有虛方法
invokeinterface：調(diào)用接口方法，在運(yùn)行時(shí)再確定一個(gè)實(shí)現(xiàn)該接口的對(duì)象

invokedynamic：先在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)解析出調(diào)用點(diǎn)限定符所引用的方法，然后再執(zhí)行該方法，在此之前的4條調(diào)用指令，分派邏輯是固化在Java虛擬機(jī)內(nèi)部的，而invokedynamic指令的分派邏輯是由用戶所設(shè)定的引導(dǎo)方法決定的。

invokedynamic指令是Java7中增加的，是為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)類型的語(yǔ)言做的一種改進(jìn)，但是在java7中并沒(méi)有直接提供生成該指令的方法，需要借助ASM底層字節(jié)碼工具來(lái)產(chǎn)生指令，直到j(luò)ava8的lambda表達(dá)式的出現(xiàn)，該指令才有了直接的生成方式。

「小知識(shí)點(diǎn)：靜態(tài)類型語(yǔ)言與動(dòng)態(tài)類型語(yǔ)言」

它們的區(qū)別就在于對(duì)類型的檢查是在編譯期還是在運(yùn)行期，滿足前者就是靜態(tài)類型語(yǔ)言，反之是動(dòng)態(tài)類型語(yǔ)言。即靜態(tài)類型語(yǔ)言是判斷變量自身的類型信息，動(dòng)態(tài)類型語(yǔ)言是判斷變量值的類型信息，變量沒(méi)有類型信息，變量值才有類型信息，這是動(dòng)態(tài)語(yǔ)言的一個(gè)重要特征。

「例」java類中定義的基本數(shù)據(jù)類型，在聲明時(shí)就已經(jīng)確定了他的具體類型了;而JS中用var來(lái)定義類型，值是什么類型就會(huì)在調(diào)用時(shí)使用什么類型。

虛方法與非虛方法

字節(jié)碼指令集為invokestatic、invokespecial或者是用final修飾的invokevirtual的方法的話，都可以在解析階段中確定唯一的調(diào)用版本，符合這個(gè)條件的就是我們上邊提到的五類方法。它們?cè)陬惣虞d的時(shí)候就會(huì)把符號(hào)引用解析為該方法的直接引用，這些方法可以稱為「非虛方法」。與之相反，不是非虛方法的方法是「虛方法」。圖片

分派

如果我們?cè)诰幾g期間沒(méi)有將方法的符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用，而是在運(yùn)行期間根據(jù)方法的實(shí)際類型綁定相關(guān)的方法，我們把這種方法的調(diào)用稱為分派。其中分派又分為靜態(tài)分派和動(dòng)態(tài)分派。

靜態(tài)分派

不知道你對(duì)重載了解多少?為了解釋靜態(tài)分派，我們先來(lái)個(gè)重載的小測(cè)試：

public class StaticDispatch { 
     
    static abstract class Human { 
    } 
 
    static class Man extends Human { 
    } 
 
    static class Woman extends Human { 
    } 
 
    public void sayHello(Human guy) { 
        System.out.println("hello,guy！"); 
    } 
 
    public void sayHello(Man guy) { 
        System.out.println("hello,gentleman！"); 
    } 
 
    public void sayHello(Woman guy) { 
        System.out.println("hello,lady！"); 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        Human man = new Man(); 
        Human woman = new Woman(); 
        StaticDispatch sr = new StaticDispatch(); 
        sr.sayHello(man); 
        sr.sayHello(woman); 
    } 
}

hello,guy！ 
hello,guy！

你答對(duì)了嘛?首先我們來(lái)了解兩個(gè)概念：靜態(tài)類型和實(shí)際類型。拿Human man = new Man();來(lái)說(shuō)Human稱為變量的靜態(tài)類型，而Man我們稱為變量的實(shí)際類型，區(qū)別如下：

靜態(tài)類型的變化僅僅在使用時(shí)才發(fā)生，變量本身的靜態(tài)類型是不會(huì)被改變，并且最終靜態(tài)類型在編譯期是可知的。
實(shí)際類型的變化是在運(yùn)行期才知道，編譯器在編譯程序時(shí)并不知道一個(gè)對(duì)象的具體類型是什么。

此處之所以執(zhí)行的是Human類型的方法，是因?yàn)榫幾g器在重載時(shí)，會(huì)通過(guò)參數(shù)的「靜態(tài)類型」來(lái)作為判定執(zhí)行方法的依據(jù)，而不是使用「實(shí)際類型」。

所有依賴靜態(tài)類型來(lái)定位方法執(zhí)行版本的分派動(dòng)作稱為靜態(tài)分派。靜態(tài)分派的典型應(yīng)用就是方法重載。靜態(tài)分派發(fā)生在編譯階段，因此確定靜態(tài)分派的動(dòng)作實(shí)際上不是由虛擬機(jī)來(lái)執(zhí)行的，而是由編譯器來(lái)完成。

動(dòng)態(tài)分派

了解了重載之后再來(lái)了解下重寫?案例走起：

public class DynamicDispatch { 
 
    static abstract class Human{ 
        protected abstract void sayHello(); 
    } 
     
    static class Man extends Human{ 
        @Override 
        protected void sayHello() { 
            System.out.println("man say hello!"); 
        } 
    } 
    static class Woman extends Human{ 
        @Override 
        protected void sayHello() { 
            System.out.println("woman say hello!"); 
        } 
    } 
    public static void main(String[] args) { 
 
        Human man = new Man(); 
        Human woman = new Woman(); 
        man.sayHello(); 
        woman.sayHello(); 
        man = new Woman(); 
        man.sayHello(); 
    } 
 
}

請(qǐng)考慮一下輸出結(jié)果，繼續(xù)沉默兩分鐘。答案是：

man say hello! 
woman say hello! 
woman say hello!

這次相信大家的結(jié)果都對(duì)了吧?我們先來(lái)補(bǔ)充一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

父類引用指向子類時(shí)，如果執(zhí)行的父類方法在子類中未被重寫，則調(diào)用自身的方法;如果被子類重寫了，則調(diào)用子類的方法。如果要使用子類特有的屬性和方法，需要向下轉(zhuǎn)型。

根據(jù)這個(gè)結(jié)論我們反向推理一下：man和women是靜態(tài)類型相同的變量，它們?cè)谡{(diào)用相同的方法sayHello()時(shí)返回了不同的結(jié)果，并且在變量man的兩次調(diào)用中執(zhí)行了不同的方法。導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的原因很明顯，是這兩個(gè)變量的「實(shí)際類型」不同，Java虛擬機(jī)是如何根據(jù)實(shí)際類型來(lái)分派方法執(zhí)行版本的呢?我們看下字節(jié)碼文件：

man.sayHello(); 
woman.sayHello();

我們關(guān)注的是以上兩行代碼，他們對(duì)應(yīng)的分別是17和21行的字節(jié)碼指令。單從字節(jié)碼指令角度來(lái)看，它倆的指令invokevirtual和常量$Human.sayHello：()V是完全一樣的，但是執(zhí)行的結(jié)果確是不同的，所以我們得研究下invokevirtual指令了，操作流程如下：圖片

找到操作數(shù)棧頂?shù)牡谝粋€(gè)元素所指向的對(duì)象的實(shí)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(jiǎn)單名稱都相符的方法，則進(jìn)行訪問(wèn)權(quán)限校驗(yàn)，如果通過(guò)則返回這個(gè)方法的直接引用，查找過(guò)程結(jié)束;如果不通過(guò)，則返回java.lang.IllegalAccessError異常(假如不在一同一個(gè)jar包下就會(huì)報(bào)非法訪問(wèn)異常)。
否則，按照繼承關(guān)系從下往上依次對(duì)C的各個(gè)父類進(jìn)行第2步的搜索和驗(yàn)證過(guò)程。
如果始終沒(méi)有找到合適的方法，則拋出java.lang.AbstractMethodError異常。

由于invokevirtual指令執(zhí)行的第一步就是在運(yùn)行期確定接收者的實(shí)際類型，所以兩次調(diào)用中的invokevirtual指令并不是把常量池中方法的符號(hào)引用解析到直接引用上就結(jié)束了，還會(huì)根據(jù)接收者的實(shí)際類型來(lái)選擇方法版本(案例中的實(shí)際類型為Man和Woman)，這個(gè)過(guò)程就是Java語(yǔ)言中方法重寫的「本質(zhì)」。

我們把這種在運(yùn)行期根據(jù)實(shí)際類型確定方法執(zhí)行版本的分派過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)分派。

單分派與多分派

方法的接收者與方法的參數(shù)統(tǒng)稱為方法的宗量，這個(gè)定義最早應(yīng)該來(lái)源于《Java與模式》一書(shū)。根據(jù)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(jù)一個(gè)宗量對(duì)目標(biāo)方法進(jìn)行選擇，多分派則是根據(jù)多于一個(gè)宗量對(duì)目標(biāo)方法進(jìn)行選擇。

「舉例說(shuō)明」

public class Dispatch{ 
    static class QQ{} 
    static class_360{} 
     
    public static class Father{ 
        public void hardChoice（QQ arg）{ 
            System.out.println（"father choose qq"）； 
        } 
        public void hardChoice（_360 arg）{ 
            System.out.println（"father choose 360"）； 
        } 
    } 
    public static class Son extends Father{ 
        public void hardChoice（QQ arg）{ 
            System.out.println（"son choose qq"）； 
        } 
        public void hardChoice（_360 arg）{ 
            System.out.println（"son choose 360"）； 
        } 
    } 
    public static void main（String[]args）{ 
        Father father=new Father（）； 
        Father son=new Son（）； 
        father.hardChoice（new_360（））； 
        son.hardChoice（new QQ（））； 
    } 
}

請(qǐng)考慮一下輸出結(jié)果，繼續(xù)沉默兩分鐘。答案是：

father choose 360 
son choose qq

我們來(lái)看看編譯階段編譯器的選擇過(guò)程，也就是靜態(tài)分派的過(guò)程。這時(shí)選擇目標(biāo)方法的依據(jù)有兩點(diǎn)：一是靜態(tài)類型是Father還是Son，二是方法參數(shù)是QQ還是360。這次選擇結(jié)果的最終產(chǎn)物是產(chǎn)生了兩條invokevirtual指令，兩條指令的參數(shù)分別為常量池中指向Father.hardChoice(360)及Father.hardChoice(QQ)方法的符號(hào)引用。因?yàn)槭歉鶕?jù)兩個(gè)宗量進(jìn)行選擇，所以Java語(yǔ)言的靜態(tài)分派屬于多分派類型。

再看看運(yùn)行階段虛擬機(jī)的選擇，也就是動(dòng)態(tài)分派的過(guò)程。在執(zhí)行“son.hardChoice(new QQ())”這句代碼時(shí)，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是在執(zhí)行這句代碼所對(duì)應(yīng)的invokevirtual指令時(shí)，由于編譯期已經(jīng)決定目標(biāo)方法的簽名必須為hardChoice(QQ)，虛擬機(jī)此時(shí)不會(huì)關(guān)心傳遞過(guò)來(lái)的參數(shù)“QQ”到底是“騰訊QQ”還是“奇瑞QQ”，因?yàn)檫@時(shí)參數(shù)的靜態(tài)類型、實(shí)際類型都對(duì)方法的選擇不會(huì)構(gòu)成任何影響，唯一可以影響虛擬機(jī)選擇的因素只有此方法的接受者的實(shí)際類型是Father還是Son。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)宗量作為選擇依據(jù)，所以Java語(yǔ)言的動(dòng)態(tài)分派屬于單分派類型。

虛方法表

在面向?qū)ο蟮木幊讨校瑫?huì)很頻繁的使用到動(dòng)態(tài)分派，如果在每次動(dòng)態(tài)分派的過(guò)程中都要重新在類的方法元數(shù)據(jù)中搜索合適的目標(biāo)的話就很可能影響到執(zhí)行效率。因此，為了提高性能，jvm采用在類的方法區(qū)建立一個(gè)虛方法表(Vritual Method Table，也稱為vtable，與此對(duì)應(yīng)的，在invokeinterface執(zhí)行時(shí)也會(huì)用到接口方法表——Inteface Method Table，簡(jiǎn)稱itable)來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用虛方法表索引來(lái)代替元數(shù)據(jù)查找以提高性能。

每一個(gè)類中都有一個(gè)虛方法表，表中存放著各種方法的實(shí)際入口:

如果某個(gè)方法在子類中沒(méi)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(shí)現(xiàn)入口。
如果子類中重寫了這個(gè)方法，子類方法表中的地址將會(huì)替換為指向子類實(shí)現(xiàn)版本的入口地址。

Son重寫了來(lái)自Father的全部方法，因此Son的方法表沒(méi)有指向Father類型數(shù)據(jù)的箭頭。但是Son和Father都沒(méi)有重寫來(lái)自O(shè)bject的方法，所以它們的方法表中所有從Object繼承來(lái)的方法都指向了Object的數(shù)據(jù)類型。

為了程序?qū)崿F(xiàn)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(yīng)當(dāng)具有一樣的索引序號(hào)，這樣當(dāng)類型變換時(shí)，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(zhuǎn)換出所需的入口地址。方法表一般在類加載的連接階段進(jìn)行初始化，準(zhǔn)備了類的變量初始值后，虛擬機(jī)會(huì)把該類的方法表也初始化完畢。

綁定機(jī)制

解析調(diào)用一定是個(gè)靜態(tài)的過(guò)程，在編譯期間就完全確定，在類裝載的解析階段就會(huì)把涉及的符號(hào)引用全部轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱_定的直接引用，不會(huì)延遲到運(yùn)行期再去完成。分派(Dispatch)調(diào)用則可能是靜態(tài)的也可能是動(dòng)態(tài)的。因此我們把「解析」和「靜態(tài)分派」這倆在編譯期間就確定了被調(diào)用的方法，且在運(yùn)行期間不變的調(diào)用稱之為靜態(tài)鏈接，而在運(yùn)行期才確定下來(lái)調(diào)用方法的稱之為動(dòng)態(tài)鏈接。

我們把在靜態(tài)鏈接過(guò)程中的轉(zhuǎn)換成為早期綁定，將動(dòng)態(tài)鏈接過(guò)程中的轉(zhuǎn)換稱之為晚期綁定。

看到這，方法的調(diào)用你搞懂了嗎?如果你還有什么困惑的話，可以關(guān)注微信公眾號(hào)“阿Q說(shuō)代碼”，也可以加阿Q好友qingqing-4132，阿Q期待你的到來(lái)!

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