JVM 方法调用之方法分派
文章目录
- JVM 方法调用之方法分派
- 1.何为分派
- 2.静态分派
- 3.动态分派
- 4.单分派与多分派
- 5.动态分派的实现
1.何为分派
在上一篇文章《方法调用之解析调用》中讲到了解析调用，而解析调用是一个静态过程，在类加载的解析阶段就确定了方法的直接引用。很明显，其他不满足解析调用的方法调用是如何确定其直接引用的呢，这就涉及到本篇文章所讲的重点概念，分派（Dispatch）。分派即可能是静态的也可能是动态的，根据分派依据的宗量数可分为单分派和多分派。所以两两组合就构成了，静态单分派、静态多分派、动态单分派及动态多分派4种情况。
方法的接受者与方法的参数统称为方法宗量。具体的宗量数如何确定，请往下看。
在往下讲解之前，需要讲明一下两个重要的概念。
Object str = new String()
以上代码中，我们把 Object 称为变量str 的“静态类型”（Static Type）或者“外观类型”（Apparent Type），后面的String 则称之为变量str的“实际类型”（Actual Type）或者“运行时类型”（Runtime Type）。因为静态类型是编译器可知的，而实际类型是在编译器不一定可知，在运行时才能真正完全确定，如下DEMO。
// 在运行前，(new Random()).nextBoolean的值是无法预知的，运行后才可得到具体值
Object obj = (new Random()).nextBoolean ? new String() : new Integer();
2.静态分派
所有依赖静态类型来决定方法调用版本的分派动作，都称为静态分派。
静态分派最典型的应用就是方法重载（Overload），静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分派的动作实际上不是由虚拟机来执行。另外需要注意的是，Javac编译器虽然能确定方法重载的版本，但是很多情况下，这个重载版本并不是唯一的，往往只能确定一个“相对更加合适”的版本。产生这种模糊结论的主要原因就是字面量天生的模糊性，它没有显式的静态类型，它的静态类型只能通过语义、语法规则去历届和推断。
案例代码
public class StaticDispatch {
public static void main(String[] args) {
say('a');
}
public static final void say(char c){
System.out.println("char");
}
public static final void say(int c){
System.out.println("int");
}
public static final void say(long c){
System.out.println("long");
}
public static final void say(float c){
System.out.println("float");
}
public static final void say(double c){
System.out.println("double");
}
public static final void say(Character c){
System.out.println("Character");
}
public static final void say(Serializable c){
System.out.println("Serializable");
}
public static final void say(Object c){
System.out.println("Object");
}
public static final void say(char... chars){
System.out.println("char...");
}
}
上述代码，由于 ‘a’ 是一个char类型的数据，所以运行结果为：
char
如果我们将say(char c)方法注释掉，那么 ‘a’ 也可以表示为字符的Unicode编码数值，即97，所以 ‘a’ 也可以表示数字97，此时 ‘a’ 发生了自动类型转换，会选择参数类型为 int 的重载版本，运行结果为：
int
如果此时再将say(int c) 方法注释掉，那么 ‘a’ 将会再发生一次自动类型转换，进一步转型为 long，输出结果如下。同理，相继注释掉后面参数类型为基本类型的重载方法，则会按照 **char > int > long > float > double **的顺序转型匹配，但是不会存在转型至byte和short类型（不安全）。
long
如果将say(long c)、say(float c)、say(double c)都注释掉，此时 ‘a’ 将会自动装箱为包装类型 Character，所以输出结果为：
Character
如果再将say(Character c) 注释掉，那么此时 ‘a’ 转换为包装类型 Character 后，会转换为其实现的接口，由于 Serializable 是 Character 实现的一个接口，所以输出结果为：
Serializable
同理，‘a’ 转换为包装类型 Character 后，会转型为其父类，根据继承关系从下往上找，此时输出结果为：
Object
最后，变长参数的重载优先级是最低的，注释掉其他所有重载方法后，输出结果：
char...
3.动态分派
动态分派发生在运行期间，根据其实际类型确定方法调用版本。
动态分派与Java语言多态性的一个重要体现-重写（Override）关系密切。下面我们先以案例代码结合讲解。
案例代码
public class DynamicDispatch {
static abstract class Human{
public abstract void say();
}
static class Man extends Human{
@Override
public void say() {
System.out.println("Man");
}
}
static class Woman extends Human{
@Override
public void say() {
System.out.println("Woman");
}
}
public static void main(String[] args) {
Human man = new Man();
Human woman = new Woman();
man.say();
woman.say();
}
}
运行结果想必都知道：
Man
Woman
但是我们反编译字节码，可以对应的两条方法调用的符号引用（Human.say:()V）都是一样的：
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: new #2 // class com/mytest/project/method/dispatch/DynamicDispatch$Man
3: dup
4: invokespecial #3 // Method com/mytest/project/method/dispatch/DynamicDispatch$Man."<init>":()V
7: astore_1
8: new #4 // class com/mytest/project/method/dispatch/DynamicDispatch$Woman
11: dup
12: invokespecial #5 // Method com/mytest/project/method/dispatch/DynamicDispatch$Woman."<init>":()V
15: astore_2
16: aload_1
17: invokevirtual #6 // Method com/mytest/project/method/dispatch/DynamicDispatch$Human.say:()V
20: aload_2
21: invokevirtual #6 // Method com/mytest/project/method/dispatch/DynamicDispatch$Human.say:()V
24: return
LineNumberTable:
line 30: 0
line 31: 8
line 32: 16
line 33: 20
line 34: 24
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 25 0 args [Ljava/lang/String;
8 17 1 man Lcom/mytest/project/method/dispatch/DynamicDispatch$Human;
16 9 2 woman Lcom/mytest/project/method/dispatch/DynamicDispatch$Human;
MethodParameters:
Name Flags
args
}
虽然符号引用一样，但是其真正的调用版本并不相同。所以解决问题的关键，我们可以从 invokevirtual 指令的是如何实现多态查找的过程入手，根据《Java虚拟机规范》，invokevirtual 指令的运行时解析过程大致可分如下几步：
1）将当前线程的操作数栈的栈顶元素指向的对象的实际类型记做C。
2）如果在类型C 中找到与常量中的简单名称和描述符都相同的方法，则进行访问权限效验，如果通过则返回该方法的直接引用；不通过则throws an IllegalAccessError。
3）否则，按照继承关系从下往上依次对C的父类进行搜索和权限效验。
4）否则，如果没有找到合适的方法（找到了抽象方法），则会throws an AbstractMethodError。
4.单分派与多分派
单分派是根据一个宗量对目标方法进行选择，多分派则是根据多余一个宗量对目标方法进行选择。光从定义上可能难以理解，下面结合案例代码进行讲解。
案例代码
public class Dispatch {
static class QQ{}
static class _360{}
static class Father{
public void hardChoice(QQ arg){
System.out.println("Father QQ");
};
public void hardChoice(_360 arg){
System.out.println("Father _360");
};
}
static class Son extends Father{
public void hardChoice(QQ arg){
System.out.println("Son QQ");
};
public void hardChoice(_360 arg){
System.out.println("Son _360");
};
}
public static void main(String[] args) {
Father father = new Father();
Father son = new Son();
father.select(new QQ()); // Dispatch$Father.select:(LQQ;)V
son.select(new _360()); // Dispatch$Father.select:(L_360;)V
}
}
运行结果：
Father QQ
Son _360
在编译期，也就是静态分派过程中，选择目标方法的依据有两点：一是静态类型是 Father 还是 Son，二是方法参数是 QQ 还是 _360。很显然，这决定了最终产生的方法调用的字面量，因为是根据两个宗量进行分派的，所以在Java语言中静态分派属于多分派类型。
在运行期，也就是动态分派的过程中。实际分派起决定性作用的就是方法接受者的实际类型，因为此时的调用方法的签名已定（select:(LQQ;)V），而唯一需要进行选择的就是方法接受者，所以在Java语言里动态分派属于单分派。
5.动态分派的实现
动态分派是执行非常频繁的动作，而且动态分派的方法调用版本需要运行时在接收者类型的方法元数据中搜索合适的目标方法，因此，JVM 实现基于执行性能的考虑，真正运行时一般不会如此频繁地去反复搜索类型元数据。面对这种情况，一种基础而且常见的优化手段是为类型在方法区中建立一个虚方法表（VirtualMethod Table，也称为vtable，与此对应的，在 invokeinterface 执行时也会用到接口方法表 —— Interface Method Table，简称 itable），使用虚方法表索引来代替元数据查找以提高性能。我们先看看上一节案例代码所对应的虚方法表结构示例，如图所示。
虚方法表中存放着各个方法的实际入口地址。如果某个方法在子类中没有被重写，那子类的虚方法表里面的地址入口和父类相同方法的地址入口是一致的，都指向父类的实现入口。如果子类中重写了这个方法，子类方法表中的地址将会替换为指向子类实现版本的入口地址。Son 重写了来自 Father 的全部方法，因此 Son 的方法表没有指向 Father 类型数据的箭头。但是 Son 和 Father 都没有重写来自 Object 的方法，所以它们的方法表中所有从 Object 继承来的方法都指向了 Object 的数据类型。
为了程序实现上的方便，具有相同签名的方法，在父类、子类的虚方法表中都应当具有一样的索引序号，这样当类型变换时，仅需要变更查找的方法表，就可以从不同的虚方法表中按索引转换出所需的入口地址。方法表一般在类加载的连接阶段进行初始化，准备了类的变量初始值后，虚拟机会把该类的方法表也初始化完毕
方法表是分派调用的“稳定优化”手段，虚拟机除了使用方法表之外，在条件允许的情况下，还会使用内联缓存（Inline Cache）和基于“类型继承关系分析”（Class Hierarchy Analysis，CHA）技术的守护内联（Guarded Inlining）两种非稳定的“激进优化”手段来获得更高的性能。
