JAVA语言多态和动态语言实现原理

前言

我们编码java文件，javac编译class文件，java运行class，JVM执行main方法，加载链接初始化对应类，确定类/对象调用函数，执行对应函数方法code字节码，执行引擎不断取指执行。本文主要介绍虚拟机加载链接初始化类后，在执行函数调用时虚拟机如何通过相关invoke指令，确定具体执行函数，并以此介绍JAVA语言中多态和动态语言实现原理。

invoke指令

虚拟机再实现函数调涉及invoke指令，分为如下5类：

invoke指令	函数调用
invokestatic	执行类静态方法
invokespecial	执行对象构造器，私有方法，父类方法
invokevirtual	执行类对象的普通方法,（非静态，构造器，私有方法等）， 虚拟机在运行期通过动态分派
invokeinterface	接口对象执行接口方法，虚拟机在运行期通过动态分派
invokedynamic	用户编码确定方法句柄

下面代码分别演示编译后函数调用使用invoke指令，使用jclasslib idea插件查看：

public class InvokeTestDemo extends AbsParent implements InterfaceParent {public static void main(String[] args) throws Throwable{InvokeTestDemo demo = new InvokeTestDemo();demo.test();}private void test() throws Throwable{// invokestatic 静态方法staticMethod();// invokespecial 构造方法new InvokeTestDemo();// invokespecial 私有方法privateMethod();// invokespecial 父类方法, 内部super.parentMethod();// invokevirtualfinalMethod();publicMethod();parentMethod();interfaceMethod();// invokeinterface 接口方法InterfaceParent iTest = this;iTest.interfaceMethod();// invokedynamicFunction<String, String> func = str -> "append " + str;func.apply("test");// MethodHandleAnimal animal = new Animal();say(animal);People people = new People();say(people);}public static void say(Object obj) throws Throwable {MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();MethodType methodType = MethodType.methodType(void.class);MethodHandle methodHandle = lookup.findVirtual(obj.getClass(), "say", methodType);methodHandle.invoke(obj);}public static class Animal {public void say() {System.out.println("hello Animal");}}public static class People {public void say() {System.out.println("hello People");}}public static void staticMethod() {}private void privateMethod() {}public final void finalMethod() {}public void publicMethod() {}@Overridepublic void interfaceMethod() {}
}abstract class AbsParent {public void parentMethod() {}
}interface InterfaceParent {void interfaceMethod();
}

invokestatic

调用类静态方法，属于静态分派，编译期可确定调用方法，运行期不变。

invokespecial

调用对象构造器，私有方法，直接父类方法，属于静态分派，编译期可确定调用方法，运行期不变。

invokevirtual

调用对象普通方法（非对象构造器，私有方法，直接父类方法），运行期根据对象具体类型，再确定具体执行方法，这个便是语言多态特征。

在具体实现上，以HotSpot为例，HotSpot使用了与C++虚函数类似的机制，同时为了避免每个对象都维护一个虚函数表，设计了Oop-Klass模型，用Klass类保存类的元数据和虚函数表vtable (virtual method table)。
vtable生成：
1、递归生成父类vtable
2、覆盖重写方法
3、追加新定义方法

Class Animal {public void breathe() {}public void sound() {}}Class Cat extends Animal{@overridepublic void sound() {}public void run() {}
}

Animal vtable

方法	方法地址
breathe	@Animal#breathe
sound	@Animal#sound

Cat vtable

方法	方法地址	备注
breathe	@Animal#breathe	取自父类
sound	@Cat#sound	本类重写
sound	@Cat#run	本类追加

vtable是用空间换取时间，类对应klass维护相对应的vtable，发生函数调用时，操作步骤如下：
1、通过函数操作数栈，获取栈顶调用函数者。
2、函数调用者查找实际类型class，进而确定klass关联vtable。
3、通过函数编号，找到vtable函数编号的方法代码code。
4、读取code字节码指令，执行引擎执行指令。

invokeinteface

以接口调用接口类方法，运行期根据接口实现类型，再确定具体执行方法。

在具体实现上，以HotSpot为例，同vtable实现类似，接口是使用itable（inteface method table）实现方法动态分派。

itable存储格式如下：
itableOffsetEntry1
itableOffsetEntry2
……
itableOffsetEntryn
itableMethodEntry1
itableMethodEntry2
……
itableMethodEntryn

itable函数查找过程如下：
1、通过函数操作数栈，获取栈顶调用函数者。
2、函数调用者查找实际类型class，进而确定klass关联itable。
3、遍历itable查找接口entry对应itableOffsetEntry。
4、通过itableOffsetEntry

为什么需要itable,而不是用vtable去实现：
1、一个类继承是单继承，子类包含父类vtable，且和父类的函数编号是一致，可以直接使用父类的函数编号找到对应的子类实现函数。
2、一个类可以实现多个接口，而每个接口的函数编号是个接口相关，vtable无法解决多个对应接口的函数编号问题。
即：虚拟机规范规定，继承是单继承，实现是可实现多个接口。

invokedynamic

以上介绍invoke指令调用的函数流程实现是在虚拟机内部，编译器和虚拟机运行期完成调用方法查找并执行相应字节码，而invokedynamic指令则支持由用户编码确定方法句柄，具体查找过程如下：
1、JVM执行到invokedynamic指令时，它会首先查找与该指令关联的引导方法。
2、引导方法根据传入的参数动态生成和链接目标方法，并返回CallSite对象（封装了目标方法的所有信息，包括方法句柄、参数类型和返回类型）。
3、CallSite对象被创建并返回给invokedynamic指令，JVM就会将该指令与调用站点对象关联起来。
4、在后续的执行过程中，当再次遇到相同的invokedynamic指令时，JVM会直接通过调用站点对象调用目标方法，而无需再次执行引导方法。这种机制可以显著提高动态方法调用的性能。

某种意义上可以说invokedynamic指令与MethodHandle机制的作用是一样的。都是为了解决原有的4条”invoke”指令方法分派规则完全固化在虚拟机之中的问题。如何把查找目标方法的决定权从虚拟机转嫁到具体的用户代码中。

Lambda

lambda实现依赖invokedynamic执行，由编译器生成引导方法，生成调用点。

 invokedynamic #13 <apply, BootstrapMethods #0>

过程如下：
1、Lambda 表达式解析常用引导方法，java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metaFactory：
2、引导方法 metaMethod 根据这些参数生成 java.lang.invoke.CallSite 动态调用点
3、在引导方法中会动态生成一个模板匿名类
4、创建匿名类实例，执行方法调用。

总结

多态特性：虚拟机在运行时通过动态分派，查找确定要执行函数。
动态语言：虚拟机通过invokedynamic执行，由应用程序指定MethodHanle，确定函数调用者，方法，参数，调用方法等，实现动态语言。

参考： https://blog.csdn.net/weixin_47184173/article/details/109903542