08 | JVM是怎么实现invokedynamic的?(上)


        

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。

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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。

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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。

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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。)

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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。

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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?

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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:

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$ 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。

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$ 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)。

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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。

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// 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。

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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。

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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。

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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