04 JVM是如何执行方法调用的(下)
虚方法调用
Java 里所有非私有实例方法调用都会被编译成 invokevirtual 指令,而接口方法调用会被编译成 invokeinterface 指令。这两种指令,均属于 Java 虚拟机中的虚方法调用。
动态绑定:Java 虚拟机需要根据调用者的动态类型,来确定虚方法调用的目标方法。
静态绑定:调用静态方法的 invokestatic 指令,以及用于调用构造器,私有实例方法和超类非私有实例方法的 invokestatic 指令。如果虚方法调用指向一个标记为 final 的方法,那么 Java 虚拟机也可以静态绑定该虚方法调用的目标方法。
关于动态绑定,Java 虚拟机采用一种空间换区时间的策略来实现动态绑定。它为每个类生成一张方法表,用以快速定位目标方法。
方法表
类的加载过程中,到了准备阶段,除了为静态字段分配内存之外,还会构造于该类相关联的方法表。方法表是 Java 虚拟机实现动态绑定的关键所在。
下面以 invokevirtual 所使用的虚方法表(virtual method table,vtable)为例介绍方法表的用法。
方法表本质上是一个数组,每个数组元素指向一个当前类及其祖先类中非私有的实例方法。这些方法可以是具体的可执行的方法,也可以是没有想用字节码的抽象方法。
方法表满足两个特质:一,子类方法表中包含父类方法表中的所有方法;二,子类方法在方法表中的索引值,与它所重写的父类方法的索引值相同。
类的加载过程中,方法调用指令中的符号引用会在执行之前解析成实际引用。对于静态绑定的方法调用而言,实际引用将指向具体的目标方法。对于动态绑定的方法调用而言,实际引用则是方法表的索引值(并不仅仅是索引值。)。
在执行过程中,Java 虚拟机将获取调用者的十几类型,并在该实际类型的虚方法表中,根据索引值获得目标方法。这个过程就是动态绑定。
动态绑定与静态绑定相比,仅仅是多出几个内存解引用的操作:访问栈上的调用者,读取调用者的动态类型,读取该类型的方法表,读取方法表中某个索引对应的目标方法。对于创建并初始化 Java 栈帧来说,这几个内存解引用操作的开销简直可以忽略不计。
利用方法表的方式优化虚方法的调用,这种优化仅存在于解释执行中,或者即时编译代码的最坏情况中。即时编译还有另外两种性能更好的优化手段:内联缓存和方法内联。
内联缓存
内联缓存是一种加快动态动态绑定的优化技术。它能够缓存虚方法调用中调用者的动态类型,以及该类型所对应的目标方法。在之后的执行过程中,如果碰到已缓存的类型,内联缓存便会直接调用该类型所对应的目标方法。如果没有缓存,则会退化为基于方法表的动态绑定。
在针对多态的优化手段中,需要了解一下三个术语:
1:单态,指的是仅有一种状态的情况。
2:多态,指的是有限数量种多态的情况。
3:超多态,指的是更多种状态的情况。通常用一个具体值区分多态和超态,数值之下为多态,数值之上为超态。
对于内联缓存,有上述三种对用的内联缓存。
单态内联缓存:只缓存一种动态类型以及它所对应的目标方法。
多态内联缓存:缓存多个动态类型以及它所对应的目标方法。使用的时候,需要遍历多个缓存数据,如果命中则调用对应的目标方法。在时间操作中,大部分的虚方法调用均是单态的,也就是只用一种动态类型。为了节省内存空间,Java 虚拟机只采用单态的内联缓存。如果没有命中缓存,Java 虚拟机就要重新使用方法表进行动态绑定。
这种情况下,对于内联缓存,我们有两种选择。一:替换单态内联缓存中的记录。替换后,要保证方法调用者的动态类型与方法调用的类型保持一致,从而能够有效的利用内联缓存。最坏的情况是两种不同的动态类型交替调用,对于内联缓存就只有写的额外开销,并没有利用缓存来提高性能。二:劣化为超多态状态。这也是 Java 虚拟机的具体实现方式。这种情况下,其实已经放弃了缓存优化,直接访问方法表来动态绑定目标方法。于内联缓存相比,方法表牺牲了优化的机会,但是却节省了写内存的额外开销。
问答
Q:为什么调用超类非私有实例方法会属于静态绑定呢?
通过super关键字来调用父类方法,本意就是想要调用父类的特定方法,而不是根据具体类型决定目标方法。
总结
本文创作灵感来源于 极客时间 郑雨迪老师的《深入拆解 Java 虚拟机》课程,通过课后反思以及借鉴各位学友的发言总结,现整理出自己的知识架构,以便日后温故知新,查漏补缺。
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