JVM方法调用

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一、动态链接

注意：运行时常量池位于方法区中，在JDK1.7及之后版本的JVM已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在Java堆中开辟了一块新的区域存放运行时常量池

1. 常量池的作用：提供一些符号和常量，便于指令的识别；
2. 在每一个栈帧内部中均包含一个指向运行时常量池(Constant Pool)或该栈帧所述方法的引用；包含这个引用的目的就是支持当前方法的代码能够实现动态连接，比如invokedynamic指令；
3. 在Java源文件被编译成字节码文件时，所有的变量和方法都作为符号引用(Symbolic Reference)保存在class字节码文件的常量池中；比如：描述了一个方法调用了其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是将这些符号引用转换为调用方法的直接引用；

二、方法调用

1.引入库

在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制有关

• 静态链接
  当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目的方法在编译期可知，且在运行期保持不变时，这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接；

• 动态链接
  如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行的时候将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接；

  对应的方法绑定机制为：早期绑定和晚期绑定；
  

• 早期绑定
  早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了别调用的方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的将符号引用转换为直接引用；

• 晚期绑定
  如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式被称之为晚期绑定；

随着高级语言的横空出世，类似于Java一样的基于面向对象的语言如今越来越多尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装，集成和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特性，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。
Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于C++语言中的虚函数（C++中则需要使用关键字virtual来显式定义）。如果在Java程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字final来标记这个方法。

三、虚方法和非虚方法

子类对象的多态性使用前提： 1. 类的继承关系(父类的声明)；2. 方法的重写(子类的实现)
在实际中执行的是导入的第三方jar包

1. 非虚方法
   • 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行的时候是不可变的，那么这样的方法就被称为非虚方法；
   • 静态方法，私有方法，final方法，实例构造器（实例已经确定，this()表示本类的构造器，父类方法（super调用）都是非虚方法）；
2. 其他所有体现多态性的方法称为虚方法；

四、虚拟机中提供了以下几条方法调用指令

• 普通的调用指令

  1. invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一的方法版本；
  2. invokespecial：调用方法，私有及父类方法，解析阶段确定唯一的方法版本；
  3. invokevirtual调用所有的虚方法；
  4. invokeinterface：调用接口方法；

• 动态调用指令（Java7中新增）

  1. invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行；

• 前四条指令固化在虚拟机的内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本；

• 其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法；invokevirtual（final修饰的除外，JVM会把final方法调用也归为invokevirtual指令，但要注意final方法调用不是虚方法），invokeinterface指令调用的方法称为虚方法；

/**
 * 解析调用中非虚方法、虚方法的测试
 */
class Father {

    public Father(){
        System.out.println("Father默认构造器");
    }

    public static void showStatic(String s){
        System.out.println("Father show static"+s);
    }

    public final void showFinal(){
        System.out.println("Father show final");
    }

    public void showCommon(){
        System.out.println("Father show common");
    }
    
}

public class Son extends Father{

    public Son(){
        super();
    }

    public Son(int age){
        this();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Son son = new Son();
        son.show();
    }

    //不是重写的父类方法，因为静态方法不能被重写
    public static void showStatic(String s){
        System.out.println("Son show static"+s);
    }

    private void showPrivate(String s){
        System.out.println("Son show private"+s);
    }

    public void show(){
        //invokestatic
        showStatic("大头儿子");
        //invokestatic
        super.showStatic("小头爸爸");
        //invokespecial
        showPrivate("hello!");
        //invokespecial
        super.showCommon();
        //invokevirtual 因为此方法声明有final 不能被子类重写，所以也认为该方法是非虚方法
        showFinal();
        //虚方法如下
        //invokevirtual
        showCommon();//没有显式加super，被认为是虚方法，因为子类可能重写showCommon
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface  不确定接口实现类是哪一个 需要重写
        in.methodA();
    }

    public void info(){

    }

}

interface MethodInterface {
    void methodA();
}

五、关于invoke dynamic指令

• JVM字节码指令集一直比较稳定，一直到Java7才增加了一个invokedynamic指令，这是Java为了实现【动态类型语言】支持而做的一种改进；
• 但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic指令，直到Java8的lambda表达式的出现，invokedynamic指令的生成在Java中才有了直接的生成方式；
• Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改，而不是对Java语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器；

六、动态类型语言和静态运行语言

• 动态类型的语言和静态类型的语言的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者的是静态语言，反之则是动态语言；
• 直白来说，静态语言是判断变量类型自身的信息；动态类型语言是判断变量值的类型信息；变量没有类型信息，变量值才有类型信息，这是动态语言的一个重要特征；
• Java是静态语言（尽管lambda表达式为其增加了动态性），js，python是动态类型语言；

Java：String info = "小黑";//静态语言

JS：var name = "小黑"；var name = 10;//动态语言

Pythom: info = 130;//更加彻底的动态语言

七、方法重写的本质

1. 找到操作数栈的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C；
2. 如果在类型C中找到与常量池中的描述符，简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过则返回java.lang,IllegalAccessError异常；
3. 否则，按照继承关系从上往下依次对C的各个父类进行第二步的搜索和验证过程；
4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常；（IllegalAccessError：程序视图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法咱们没有权限访问；一般的，这个会引起编译期异常，，这个错误如果发生在运行时，就说明了一个类发生了不兼容的改变）

• 虚方法表

5. Son继承Father，Father继承Object，Father重写了最下面的两个方法，Son重写了Father重写的方法，Son如果在对象的执行过程中调用过toString()方法，而Son和Father都没有重写过，则Son直接便会调用Object的toString()，不会再通过Father类进行调用tostring()；重写过的话，虚方法表便指向进行重写的类；
   

八、方法返回地址

• 存放调用该方法的PC寄存器的值；
• 一个方法的结束，有两种方式：
  1. 正常执行完成；
  2. 出现未处理的异常，非正常退出；
• 无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者（方法的调用者可能也是一个方法）的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出时，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息；
• 本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去；
• 正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值；

当一个方法执行完毕后，只有两种方式可以退出这个方法：

1. 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；

   • 一个方法在正常调用完成之后究竟需要使用哪一个返回指令还需要根据方法返回值的实际数据类型而定
   • 在字节码指令中，返回指令包含ireturn（当返回值是boolena、byte、char、short和int类型时使用）、lreturn、freturn、dreturn以及areturn(引用类型)
   • 另外还有一个return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用

2. 在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜素到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口；方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。

3. 异常处理表：
   
   图中的from-to表示在字节码当中可能存在异常的区域，target表示在字节码中能够处理该异常的位置；

• 常见面试题
  1. 举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）：递归调用等，通过-Xss设置栈的大小；
  2. 调整栈的大小，就能保证不出现溢出么：不能 如递归无限次数肯定会溢出，调整栈大小只能保证溢出的时间晚一些；
  3. 分配的栈内存越大越好么：不是 会挤占其他线程的空间；
  4. 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈：不会
  5. 方法中定义的局部变量是否线程安全：要具体问题具体分析；

/**
 * 面试题：
 * 方法中定义的局部变量是否线程安全？具体情况具体分析
 *
 * 何为线程安全？
 *     如果只有一个线程可以操作此数据，则毙是线程安全的。
 *     如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题
 *
 * StringBuffer是线程安全的，StringBuilder不是
 */
public class StringBuilderTest {

    //s1的声明方式是线程安全的
    public static void method1(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
    }

    //stringBuilder的操作过程：是不安全的，因为method2可以被多个线程调用
    public static void method2(StringBuilder stringBuilder){
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
    }

    //s1的操作：是线程不安全的 有返回值，可能被其他线程共享
    public static StringBuilder method3(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1;
    }

    //s1的操作：是线程安全的 ，StringBuilder的toString方法是创建了一个新的String，s1在内部消亡了
    public static String method4(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder s = new StringBuilder();
        new Thread(()->{
            s.append("a");
            s.append("b");
        }).start();
        method2(s);
    }

}

附：

内存区块	Error	GC
程序计数器	❌	❌
本地方法栈	✅	❌
JVM虚拟机栈	✅	❌
堆	✅	✅
方法区	✅	✅