深入拆解 Java 虚拟机

前不久，“虚拟机”赛马俱乐部来了个年轻人，标榜自己是动态语言，是先进分子。

这一天，先进分子牵着一头鹿进来，说要参加赛马。咱部里的老学究Java就不同意了呀，鹿又不是马，哪能参加赛马。

当然了，这种墨守成规的调用方式，自然是先进分子所不齿的。现在年轻人里流行的是鸭子类型（duck typing）[1]，只要是跑起来像只马的，它就是一只马，也就能够参加赛马比赛。

class Horse {
  public void race() {
    System.out.println("Horse.race()"); 
  }
}

class Deer {
  public void race() {
    System.out.println("Deer.race()");
  }
}

class Cobra {
  public void race() {
    System.out.println("How do you turn this on?");
  }
}

(如何用同一种方式调用他们的赛跑方法？)

说到了这里，如果我们将赛跑定义为对赛跑方法（对应上述代码中的race()）的调用的话，那么这个故事的关键，就在于能不能在马场中调用非马类型的赛跑方法。

为了解答这个问题，我们先来回顾一下Java里的方法调用。在Java中，方法调用会被编译为invokestatic，invokespecial，invokevirtual以及invokeinterface四种指令。这些指令与包含目标方法类名、方法名以及方法描述符的符号引用捆绑。在实际运行之前，Java虚拟机将根据这个符号引用链接到具体的目标方法。

可以看到，在这四种调用指令中，Java虚拟机明确要求方法调用需要提供目标方法的类名。在这种体系下，我们有两个解决方案。一是调用其中一种类型的赛跑方法，比如说马类的赛跑方法。对于非马的类型，则给它套一层马甲，当成马来赛跑。

另外一种解决方式，是通过反射机制，来查找并且调用各个类型中的赛跑方法，以此模拟真正的赛跑。

显然，比起直接调用，这两种方法都相当复杂，执行效率也可想而知。为了解决这个问题，Java 7引入了一条新的指令invokedynamic。该指令的调用机制抽象出调用点这一个概念，并允许应用程序将调用点链接至任意符合条件的方法上。

public static void startRace(java.lang.Object)
       0: aload_0                // 加载一个任意对象
       1: invokedynamic race     // 调用赛跑方法

(理想的调用方式)

作为invokedynamic的准备工作，Java 7引入了更加底层、更加灵活的方法抽象：方法句柄（MethodHandle）。

# 方法句柄的概念

方法句柄是一个强类型的，能够被直接执行的引用[2]。该引用可以指向常规的静态方法或者实例方法，也可以指向构造器或者字段。当指向字段时，方法句柄实则指向包含字段访问字节码的虚构方法，语义上等价于目标字段的getter或者setter方法。

这里需要注意的是，它并不会直接指向目标字段所在类中的getter/setter，毕竟你无法保证已有的getter/setter方法就是在访问目标字段。

方法句柄的类型（MethodType）是由所指向方法的参数类型以及返回类型组成的。它是用来确认方法句柄是否适配的唯一关键。当使用方法句柄时，我们其实并不关心方法句柄所指向方法的类名或者方法名。

打个比方，如果兔子的“赛跑”方法和“睡觉”方法的参数类型以及返回类型一致，那么对于兔子递过来的一个方法句柄，我们并不知道会是哪一个方法。

方法句柄的创建是通过MethodHandles.Lookup类来完成的。它提供了多个API，既可以使用反射API中的Method来查找，也可以根据类、方法名以及方法句柄类型来查找。

当使用后者这种查找方式时，用户需要区分具体的调用类型，比如说对于用invokestatic调用的静态方法，我们需要使用Lookup.findStatic方法；对于用invokevirutal调用的实例方法，以及用invokeinterface调用的接口方法，我们需要使用findVirtual方法；对于用invokespecial调用的实例方法，我们则需要使用findSpecial方法。

调用方法句柄，和原本对应的调用指令是一致的。也就是说，对于原本用invokevirtual调用的方法句柄，它也会采用动态绑定；而对于原本用invkespecial调用的方法句柄，它会采用静态绑定。

class Foo {
  private static void bar(Object o) {
    ..
  }
  public static Lookup lookup() {
    return MethodHandles.lookup();
  }
}

// 获取方法句柄的不同方式
MethodHandles.Lookup l = Foo.lookup(); // 具备Foo类的访问权限
Method m = Foo.class.getDeclaredMethod("bar", Object.class);
MethodHandle mh0 = l.unreflect(m);

MethodType t = MethodType.methodType(void.class, Object.class);
MethodHandle mh1 = l.findStatic(Foo.class, "bar", t);

方法句柄同样也有权限问题。但它与反射API不同，其权限检查是在句柄的创建阶段完成的。在实际调用过程中，Java虚拟机并不会检查方法句柄的权限。如果该句柄被多次调用的话，那么与反射调用相比，它将省下重复权限检查的开销。

需要注意的是，方法句柄的访问权限不取决于方法句柄的创建位置，而是取决于Lookup对象的创建位置。

举个例子，对于一个私有字段，如果Lookup对象是在私有字段所在类中获取的，那么这个Lookup对象便拥有对该私有字段的访问权限，即使是在所在类的外边，也能够通过该Lookup对象创建该私有字段的getter或者setter。

由于方法句柄没有运行时权限检查，因此，应用程序需要负责方法句柄的管理。一旦它发布了某些指向私有方法的方法句柄，那么这些私有方法便被暴露出去了。

# 方法句柄的操作

方法句柄的调用可分为两种，一是需要严格匹配参数类型的invokeExact。它有多严格呢？假设一个方法句柄将接收一个Object类型的参数，如果你直接传入String作为实际参数，那么方法句柄的调用会在运行时抛出方法类型不匹配的异常。正确的调用方式是将该String显式转化为Object类型。

在普通Java方法调用中，我们只有在选择重载方法时，才会用到这种显式转化。这是因为经过显式转化后，参数的声明类型发生了改变，因此有可能匹配到不同的方法描述符，从而选取不同的目标方法。调用方法句柄也是利用同样的原理，并且涉及了一个签名多态性（signature polymorphism）的概念。（在这里我们暂且认为签名等同于方法描述符。）

  public final native @PolymorphicSignature Object invokeExact(Object... args) throws Throwable;

方法句柄API有一个特殊的注解类@PolymorphicSignature。在碰到被它注解的方法调用时，Java编译器会根据所传入参数的声明类型来生成方法描述符，而不是采用目标方法所声明的描述符。

在刚才的例子中，当传入的参数是String时，对应的方法描述符包含String类；而当我们转化为Object时，对应的方法描述符则包含Object类。

  public void test(MethodHandle mh, String s) throws Throwable {
    mh.invokeExact(s);
    mh.invokeExact((Object) s);
  }

  // 对应的Java字节码
  public void test(MethodHandle, String) throws java.lang.Throwable;
    Code:
       0: aload_1
       1: aload_2
       2: invokevirtual MethodHandle.invokeExact:(Ljava/lang/String;)V
       5: aload_1
       6: aload_2
       7: invokevirtual MethodHandle.invokeExact:(Ljava/lang/Object;)V
      10: return

invokeExact会确认该invokevirtual指令对应的方法描述符，和该方法句柄的类型是否严格匹配。在不匹配的情况下，便会在运行时抛出异常。

如果你需要自动适配参数类型，那么你可以选取方法句柄的第二种调用方式invoke。它同样是一个签名多态性的方法。invoke会调用MethodHandle.asType方法，生成一个适配器方法句柄，对传入的参数进行适配，再调用原方法句柄。调用原方法句柄的返回值同样也会先进行适配，然后再返回给调用者。

方法句柄还支持增删改参数的操作，这些操作都是通过生成另一个方法句柄来实现的。这其中，改操作就是刚刚介绍的MethodHandle.asType方法。删操作指的是将传入的部分参数就地抛弃，再调用另一个方法句柄。它对应的API是MethodHandles.dropArguments方法。

增操作则非常有意思。它会往传入的参数中插入额外的参数，再调用另一个方法句柄，它对应的API是MethodHandle.bindTo方法。Java 8中捕获类型的Lambda表达式便是用这种操作来实现的，下一篇我会详细进行解释。

增操作还可以用来实现方法的柯里化[3]。举个例子，有一个指向f(x, y)的方法句柄，我们可以通过将x绑定为4，生成另一个方法句柄g(y) = f(4, y)。在执行过程中，每当调用g(y)的方法句柄，它会在参数列表最前面插入一个4，再调用指向f(x, y)的方法句柄。

# 方法句柄的实现

下面我们来看看HotSpot虚拟机中方法句柄调用的具体实现。（由于篇幅原因，这里只讨论DirectMethodHandle。）

前面提到，调用方法句柄所使用的invokeExact或者invoke方法具备签名多态性的特性。它们会根据具体的传入参数来生成方法描述符。那么，拥有这个描述符的方法实际存在吗？对invokeExact或者invoke的调用具体会进入哪个方法呢？

import java.lang.invoke.*;

public class Foo {
  public static void bar(Object o) {
    new Exception().printStackTrace();
  }

  public static void main(String[] args) throws Throwable {
    MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();
    MethodType t = MethodType.methodType(void.class, Object.class);
    MethodHandle mh = l.findStatic(Foo.class, "bar", t);
    mh.invokeExact(new Object());
  }
}

和查阅反射调用的方式一样，我们可以通过新建异常实例来查看栈轨迹。打印出来的占轨迹如下所示：

$ java Foo
java.lang.Exception
        at Foo.bar(Foo.java:5)
        at Foo.main(Foo.java:12)

也就是说，invokeExact的目标方法竟然就是方法句柄指向的方法。

先别高兴太早。我刚刚提到过，invokeExact会对参数的类型进行校验，并在不匹配的情况下抛出异常。如果它直接调用了方法句柄所指向的方法，那么这部分参数类型校验的逻辑将无处安放。因此，唯一的可能便是Java虚拟机隐藏了部分栈信息。

当我们启用了-XX:+ShowHiddenFrames这个参数来打印被Java虚拟机隐藏了的栈信息时，你会发现main方法和目标方法中间隔着两个貌似是生成的方法。

$ java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+ShowHiddenFrames Foo
java.lang.Exception
        at Foo.bar(Foo.java:5)
        at java.base/java.lang.invoke.DirectMethodHandle$Holder. invokeStatic(DirectMethodHandle$Holder:1000010)
        at java.base/java.lang.invoke.LambdaForm$MH000/766572210. invokeExact_MT000_LLL_V(LambdaForm$MH000:1000019)
        at Foo.main(Foo.java:12)

实际上，Java虚拟机会对invokeExact调用做特殊处理，调用至一个共享的、与方法句柄类型相关的特殊适配器中。这个适配器是一个LambdaForm，我们可以通过添加虚拟机参数将之导出成class文件（-Djava.lang.invoke.MethodHandle.DUMP_CLASS_FILES=true）。

final class java.lang.invoke.LambdaForm$MH000 {  static void invokeExact_MT000_LLLLV(jeava.lang.bject, jjava.lang.bject, jjava.lang.bject);
    Code:
        : aload_0
      1 : checkcast      #14                 //Mclass java/lang/invoke/ethodHandle
        : dup
      5 : astore_0
        : aload_32        : checkcast      #16                 //Mclass java/lang/invoke/ethodType
      10: invokestatic  I#22                 // Method java/lang/invoke/nvokers.checkExactType:(MLjava/lang/invoke/ethodHandle,;Ljava/lang/invoke/ethodType);V
      13: aload_0
      14: invokestatic   #26     I           // Method java/lang/invoke/nvokers.checkCustomized:(MLjava/lang/invoke/ethodHandle);V
      17: aload_0
      18: aload_1
      19: ainvakevirtudl #30             2   // Methodijava/lang/nvokev/ethodHandle.invokeBasic:(LLeava/lang/bject;;V
       23 return

可以看到，在这个适配器中，它会调用Invokers.checkExactType方法来检查参数类型，然后调用Invokers.checkCustomized方法。后者会在方法句柄的执行次数超过一个阈值时进行优化（对应参数-Djava.lang.invoke.MethodHandle.CUSTOMIZE_THRESHOLD，默认值为127）。最后，它会调用方法句柄的invokeBasic方法。

Java虚拟机同样会对invokeBasic调用做特殊处理，这会将调用至方法句柄本身所持有的适配器中。这个适配器同样是一个LambdaForm，你可以通过反射机制将其打印出来。

// 该方法句柄持有的LambdaForm实例的toString()结果
DMH.invokeStatic_L_V=Lambda(a0:L,a1:L)=>{
  t2:L=DirectMethodHandle.internalMemberName(a0:L);
  t3:V=MethodHandle.linkToStatic(a1:L,t2:L);void}

这个适配器将获取方法句柄中的MemberName类型的字段，并且以它为参数调用linkToStatic方法。估计你已经猜到了，Java虚拟机也会对linkToStatic调用做特殊处理，它将根据传入的MemberName参数所存储的方法地址或者方法表索引，直接跳转至目标方法。

final class MemberName implements Member, Cloneable {
...
    //@Injected JVM_Method* vmtarget;
    //@Injected int         vmindex;
...

那么前面那个适配器中的优化又是怎么回事？实际上，方法句柄一开始持有的适配器是共享的。当它被多次调用之后，Invokers.checkCustomized方法会为该方法句柄生成一个特有的适配器。这个特有的适配器会将方法句柄作为常量，直接获取其MemberName类型的字段，并继续后面的linkToStatic调用。

final class java.lang.invoke.LambdaForm$DMH000 {
  static void invokeStatic000_LL_V(java.lang.Object, java.lang.Object);
    Code:
       0: ldc           #14                 // String CONSTANT_PLACEHOLDER_1 <<Foo.bar(Object)void/invokeStatic>>
       2: checkcast     #16                 // class java/lang/invoke/MethodHandle
       5: astore_0     // 上面的优化代码覆盖了传入的方法句柄
       6: aload_0      // 从这里开始跟初始版本一致
       7: invokestatic  #22                 // Method java/lang/invoke/DirectMethodHandle.internalMemberName:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
      10: astore_2
      11: aload_1
      12: aload_2
      13: checkcast     #24                 // class java/lang/invoke/MemberName
      16: invokestatic  #28                 // Method java/lang/invoke/MethodHandle.linkToStatic:(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/invoke/MemberName;)V
      19: return

可以看到，方法句柄的调用和反射调用一样，都是间接调用。因此，它也会面临无法内联的问题。不过，与反射调用不同的是，方法句柄的内联瓶颈在于即时编译器能否将该方法句柄识别为常量。具体内容我会在下一篇中进行详细的解释。

# 总结与实践

今天我介绍了invokedynamic底层机制的基石：方法句柄。

方法句柄是一个强类型的、能够被直接执行的引用。它仅关心所指向方法的参数类型以及返回类型，而不关心方法所在的类以及方法名。方法句柄的权限检查发生在创建过程中，相较于反射调用节省了调用时反复权限检查的开销。

方法句柄可以通过invokeExact以及invoke来调用。其中，invokeExact要求传入的参数和所指向方法的描述符严格匹配。方法句柄还支持增删改参数的操作，这些操作是通过生成另一个充当适配器的方法句柄来实现的。

方法句柄的调用和反射调用一样，都是间接调用，同样会面临无法内联的问题。

今天的实践环节，我们来测量一下方法句柄的性能。你可以尝试通过重构代码，将方法句柄变成常量，来提升方法句柄调用的性能。

public class Foo {
  public void bar(Object o) {
  }

  public static void main(String[] args) throws Throwable {
    MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();
    MethodType t = MethodType.methodType(void.class, Object.class);
    MethodHandle mh = l.findVirtual(Foo.class, "bar", t);

    long current = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 1; i <= 2_000_000_000; i++) {
      if (i % 100_000_000 == 0) {
        long temp = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(temp - current);
        current = temp;
       }
       mh.invokeExact(new Foo(), new Object());
    }
  }
}

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Duck_typing
[2]
https://docs.oracle.com/javase/10/docs/api/java/lang/invoke/MethodHandle.html
[3]
https://en.wikipedia.org/wiki/Currying