JVM 方法调用之方法分派

JVM 方法调用之方法分派

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byteshort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 SerializableCharacter 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。

在这里插入图片描述

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。

<think>好的,我现在需要回答用户关于JVM内存模型中方法区的作用与实现的问题。首先,我要回忆一下自己对方法区的理解,然后结合提供的引用资料来组织答案。 首先,方法区是JVM内存模型的一部分,属于线程共享的区域。根据引用[1],方法区在JVM内存模型中列出的第五个部分,主要用于存储类信息、常量、静态变量等。引用[3]提到虚方法表存放在方法区,这说明方法区还包含方法的相关数据,如虚方法表,用于优化动态分派。引用[4]虽然主要讲堆参数,但间接说明方法区与其他内存区域的设置不同,可能涉及不同的内存管理策略。 接下来,方法区的作用可能包括存储类元数据、运行时常量池、静态变量JIT编译后的代码。需要确认这些内容是否准确,比如运行时常量池在引用[1]中是单独列出的,但可能属于方法区的一部分。根据标准JVM规范,运行时常量池确实是方法区的一部分。 关于实现方面,不同的JVM版本有不同的实现。在JDK8之前,方法区使用永久代(PermGen),但容易导致内存溢出。JDK8之后改用元空间(Metaspace),使用本地内存,减少了对JVM内存的限制,提高了灵活性。引用[4]提到的参数如-XX:MetaspaceSize-XX:MaxMetaspaceSize可以调整元空间的大小,这说明用户可以通过这些参数来配置方法区。 另外,需要注意方法区与堆的关系。方法堆都是线程共享的,但存储的数据类型不同。方法区主要存储类信息,而堆存储对象实例。引用[2]提到JVM内存模型规定了线程如何访问内存区域,这可能涉及到方法区的访问机制,但用户的问题可能更关注结构作用。 可能的问题点:运行时常量池是否属于方法区?根据引用[1],运行时常量池是第七项,但通常认为它属于方法区的一部分。需要确认这一点,可能引用资料中存在差异,但根据标准规范,运行时常量池是方法区的一部分。 最后,需要确保回答结构清晰,分点说明作用实现,并引用相关资料。同时,生成的相关问题要围绕方法区的其他方面,如内存溢出、调优、与元空间的关系等。</think>### JVM内存模型中的方法区:作用与实现 #### 一、方法区的作用 方法区(Method Area)是JVM内存模型中**线程共享**的内存区域,主要存储以下内容: 1. **类元数据** 包括类的完整结构信息(如类名、父类、接口、字段、方法等)、方法字节码、访问修饰符等。这些信息在类加载阶段被解析并存储[^1][^3]。 2. **运行时常量池** 存放编译期生成的字面量(如字符串常量)符号引用。它是方法区的一部分,动态性较强,支持运行时添加新常量。 3. **静态变量(类变量)** 类中通过`static`定义的变量直接存储在方法区,与类的生命周期一致。 4. **JIT编译后的代码** 即时编译器(Just-In-Time Compiler)将热点代码编译为本地机器码后,也可能存储在方法区。 #### 二、方法区的实现 方法区的具体实现因JVM版本而异: 1. **JDK 8之前:永久代(PermGen)** - 使用堆内存的一部分,通过参数`-XX:PermSize``-XX:MaxPermSize`调整大小。 - **缺陷**:容易因加载过多类或常量导致`OutOfMemoryError: PermGen space`[^4]。 2. **JDK 8及之后:元空间(Metaspace)** - 改用本地内存(Native Memory),不再受限于JVM堆大小。 - 通过参数`-XX:MetaspaceSize`(初始大小)`-XX:MaxMetaspaceSize`(最大大小)管理。 - **优势**:自动扩展,减少内存溢出风险,且垃圾回收效率更高。 #### 三、与虚方法表的关系 方法区中维护**虚方法表(Virtual Method Table)**,用于优化动态分派(如多态调用)。每个类在加载时生成虚方法表,存储方法的实际入口地址,避免每次调用时重复搜索方法元数据。 #### 四、典型问题与调优 - **内存溢出**:频繁生成动态类(如反射、CGLib)可能导致元空间溢出,需监控`Metaspace`使用情况。 - **调优建议**:根据应用场景调整`-XX:MaxMetaspaceSize`,并结合工具(如JProfiler、MAT)分析内存快照。 ---
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