【JVM】字节码指令简介(四)-invokedynamic详解

方法调用和返回指令

方法调用和返回指令总共包括5个字节码指令。其中invokestatic，invokespecial调用的目标方法在编译时就已经确定，而对于invokevirtual和invokeinterface来说，调用的目标方法是在运营时才能确定。invokedynamic是动态生成的对象。

指令	作用
invokevirtual	用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派（虚方法分派)，这也是Java语言中最常见的方法分派方式
invokeinterface	用于调用接口方法，它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象，找出适合的方法进行调用
invokespecial	用于调用一些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法和父类方法
invokestatic	用于调用类方法(static方法)
invokedynamic	用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，并执行该方法，前4条调指令的分派逻辑都固化在Java虚拟机内部，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。

invokedynamic详解

invokedynamic指令与其他其他方法调用指令都不相同。invokedynamic则是动态的生成与给定参数类型的对象，并且放入到操作数栈上。Invokedynamic指令简化了并且提升了JVM对于动态语言的支持。

动态语言和静态语言之间的区别

静态语言对于类型的检查是在编译期，而动态语言对于类型的检查是在运行期。

invokedynamic是在Java7开始出现在java虚拟机规范中，实际上java7的javac编译器并不会生成这个字节码。到了Java8中，invokedynamic才开始使用，其中最简单的例子就是lambda表达式。我们通过如下代码来分析

    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = () -> System.out.println("hello world");
    }

编译后的字节码：

0 invokedynamic #2 <run, BootstrapMethods #0>
5 astore_1
6 return

Java只有两种值的类型：基础类型（比如int,long,float等）和对象引用，runnable显然不是基础类型，那么它只能是对象引用。那么它是哪一个对象的引用呢？我们debug一下，idea显式的对象如下图所示,它是一个名为"当前类名$lambda"的匿名内部类，显然这个匿名内部类是由Java虚拟机帮我们生成的，并不是我们自己写的。

那么这个匿名内部类是如何生成的呢？顺着字节码，我们可以发现invokedynamic指令指向了常量池中类型为CONSTANT_InvokeDynamic_info的常量，这个常量包含了动态方法调用所需的信息，它被称为引导方法(BootstrapMethod,BSM) 。则是invokedynamic实现的关键，每个invokedynamic的调用点(call site)都对应则一个BSM的常量池。这个调用点在加载时是"未连接的(unlaced)"。调用BSM后才能确定具体要调用的方法，返回的这个CallSite对象会被关联到调用点上。

BootstrapMethod介绍

上图中BootstrapMethod是一个变长属性，它存在于ClassFile的属性表中，BootstrapMethod属性记录了用于生成动态计算常量和动态调用点的信息。它的格式如下

BootstrapMethods_attribute {
    u2 attribute_name_index;                                // 属性名称索引,它是常量池表的一个CONSTANT_Utf8_info的引用，用来表示BootstrapMethods
    u4 attribute_length;                                    // 属性长度
    u2 num_bootstrap_methods;                               // bootstrap_methods数组中的引导方法限定符的数量
    {   u2 bootstrap_method_ref;                            // 常量池中的引用，常量池中类型为CONSTANT_MethodHandle_info
        u2 num_bootstrap_arguments;                         // bootstrap_methods数组的个数
        u2 bootstrap_arguments[num_bootstrap_arguments];    // 每个成员都对应一个常量池表的有效索引
    } bootstrap_methods[num_bootstrap_methods];
}

我们找到上面invokedynamic指令对应BootstrapMethod的bootstrap_method_ref对应常量池中的值如下，他们都引用了java.lang.invoke包中的对象/方法，这个包中的API是Java7引入的，叫方法句柄。

<java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory : (Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;
Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;
Ljava/lang/invoke/MethodHandle;
Ljava/lang/invoke/MethodType;)
Ljava/lang/invoke/CallSite;>

方法句柄(Method Handle)介绍

java.lang.invoke包是为了支持JSR-292为动态类型支持的实现，它的主要作用是前只能依赖符号引用来确定目标方法的基础上，增加了一种动态确定目标方法的机制，也就是方法句柄MethodHandler。

• MethodHandle

MethodHandle是方法句柄类，也是这个包中最重要的类，它是一个类型化，直接可自行的底层方法。它的核心方法主要包括invokeExact和invoke。MethodHandle类与反射包中的Method类似。

• MethodType

MethodType表示MethodHandle接受参数或者返回类型的描述，或MethodHandle调用方传递并期望的类型和参数。MethodType必须在MethodHandle机器所有调用方正确匹配，JVM在执行invokedynamic指令， MethodHandle.invokeExact以及MethodHandle.invoke都会强制校验

• CallSite

CallSite是MethodHandle变量的持有者，链接到CallSiteinvokedynamic指令将所有调用委托给CallSite的当前目标。

下面我们通过MethodHandles调用String的replace代码如下：

public static void main(String[] args) throws Throwable {
    System.out.println(replace("daddy", 'd', 'n'));
}
​
public static String replace(String sourceStr,char oldChar,char newChar) throws Throwable {
    MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();
    MethodType methodType = MethodType.methodType(String.class, char.class, char.class);
    MethodHandle methodHandle = lookup.findVirtual(String.class, "replace", methodType);
    return(String) methodHandle.invokeExact(sourceStr, oldChar, newChar);
}

main方法执行结果为，输出结果与String.replace相同

上面replace方法编译后的字节码如下，可以看到最终MethodHandle.invokeExact也是通过invokevirtual指令调用，MethodHandle.invokeExact是一个native方法，它是由Java虚拟机实现的。

 0 invokestatic #6 <java/lang/invoke/MethodHandles.lookup : ()Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;>
// 省略中间代码
19 invokestatic #10 <java/lang/invoke/MethodType.methodType : (Ljava/lang/Class;Ljava/lang/Class;[Ljava/lang/Class;)Ljava/lang/invoke/MethodType;>
// 省略中间代码
31 invokevirtual #12 <java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup.findVirtual : (Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/MethodHandle;>
// 省略中间代码
41 invokevirtual #13 <java/lang/invoke/MethodHandle.invokeExact : (Ljava/lang/String;CC)Ljava/lang/String;>
44 areturn

方法句柄与反射对比

上面例子中，如果我们通过反射的方式调用String.replace，代码如下，这段代码实现的效果与通过MethodHandle调用String.replace相同。

public static String replaceByReflect(String sourceStr, char oldChar, char newChar) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
    Method method = String.class.getDeclaredMethod("replace", char.class, char.class);
    return (String) method.invoke(sourceStr, oldChar, newChar);
}

编译后字节码如下，它最终是通过invokevirtual指令调用了Method.invoke方法，它的底层调用的是NativeMethodAccessorImpl.invoke0方法，它也是一个本地方法。

// 省略中间代码
20 invokevirtual #14 <java/lang/Class.getDeclaredMethod : (Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Class;)Ljava/lang/reflect/Method;>
// 省略中间代码
44 invokevirtual #17 <java/lang/reflect/Method.invoke : (Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;>
47 checkcast #7 <java/lang/String>      // 返回结果类型检查
50 areturn

MethodHandle与反射Method的区别

• Reflection API的设计目的是为Java语言服务的，而MethodHandle则是为了让JVM支持动态类型，可以为所有Java虚拟机之上的所有语言服务
• Reflection与MethodHandle机制本质上都是在模拟方法调用，但是Reflection是在模拟Java代码层次的调用，而MethodHandle是在模拟字节码层次的调用
• MethodHandle中的invoke()被JVM优化，性能更好，MethodHandle在调用了findStatic()、findVirtal()、findSpecial()就已经实现了方法执行权限的检测以及类型检测，而不是调用invoke()时。这点从上面字节码就可以看出，虽然在代码中都有显示类型转换，但是MethodHandle调用invoke的代码后并没有checkcast指令，相反Method的invoke后需要调用checkcast指令。

参考资料

Java Virtual Machine Support for Non-Java Languages (oracle.com)

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