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動態類型的語言支持--invokedynamic

2019-11-14 12:00:28
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供稿:網友

invokedynamic是為了實現lambda表達式做的技術準備。

動態類型語言

動態類型語言的關鍵特征是它的類型檢查的主體過程是在運行期而不是編譯期進行的,例如:APL、Clojure、Erlang、Groovy、javaScript、Jython、Lisp、Lua、phpPRolog、Python、Ruby、Smalltalk和Tcl等等。那相對地,在編譯期就進行類型檢查過程的語言,如C++和Java等就是最常用的靜態類型語言。

這種差別產生的原因是靜態類型語言在編譯期間已將方法完整的符號引用生成出來,作為方法調用指令的參數存儲到Class文件中。 這個符號引用包含了此方法定義在哪個具體類型之中、方法的名字以及參數順序、參數類型和方法返回值等信息,通過這個符號引用,虛擬機就可以翻譯出這個方法的直接引用(譬如方法內存地址或者其他實現形式)。而在動態類型語言中,變量本身是沒有類型的,變量的值才具有的類型,編譯時候最多只能確定方法名稱、參數、返回值這些信息,而不會去確定方法所在的具體類型(方法接收者不固定)。“變量無類型而變量值才有類型”這個特點也是動態類型語言的一個重要特征。

靜態類型語言在編譯期確定類型,最顯著的好處是編譯器可以提供嚴謹的類型檢查,這樣與類型相關的問題能在編碼的時候就及時發現,利于穩定性及代碼達到更大的規模。而動態類型語言在運行期確定類型,這可以為開發人員提供更大的靈活性,某些在靜態類型語言中要花大量臃腫代碼來實現的功能,由動態類型語言來實現可能會很清晰簡潔,清晰簡潔通常也就意味著開發效率的提升。

JDK 7與動態類型

Java虛擬機層面對動態類型語言的支持一直都有所欠缺,主要表現在方法調用方面:JDK 7以前字節碼指令集中,四條方法調用指令(invokevirtual、invokespecial、invokestatic、invokeinterface)的第一個參數都是被調用的方法的符號引用(CONSTANT_Methodref_info或者CONSTANT_InterfaceMethodref_info常量),前面已經提到過,方法的符號引用在編譯時產生,而動態類型語言只有在運行期才能確定接收者類型。這樣,在Java虛擬機上實現的動態類型語言就不得不使用“曲線救國”的方式(如編譯時留個占位符類型,運行時動態生成字節碼實現具體類型到占位符類型的適配)來實現,這樣勢必讓動態類型語言實現的復雜度增加,也可能帶來額外的性能或者內存開銷。盡管可以想一些辦法(如Call Site Caching)讓這些開銷盡量變小,但這種底層問題終歸是應當在虛擬機層次上去解決才最合適,因此在Java虛擬機層面上提供動態類型的直接支持就成為了Java平臺的發展趨勢之一,這就是JDK 7(JSR-292)中invokedynamic指令以及java.lang.invoke包出現的技術背景。

java.lang.invoke包

java.lang.invoke包的主要目的是在之前單純依靠符號引用來確定調用的目標方法這條路之外提供一種新的動態確定目標方法的機制,稱為Method Handle。

MethodHandle與Reflection區別:

Reflection和MethodHandle機制本質上都是在模擬方法調用,但是Reflection是在模擬Java代碼層次的方法調用,而MethodHandle是在模擬字節碼層次的方法調用。在MethodHandles.Lookup上的三個方法findStatic()、findVirtual()、findSpecial()正是為了對應于invokestatic、invokevirtual&invokeinterface和invokespecial這幾條字節碼指令的執行權限校驗行為,而這些底層細節在使用Reflection API時是不需要關心的。Reflection中的java.lang.reflect.Method對象遠比MethodHandle機制中的java.lang.invoke.MethodHandle對象所包含的信息來得多。前者是方法在Java一端的全面映像,包含了方法的簽名、描述符以及方法屬性表中各種屬性的Java端表示方式,還包含有執行權限等的運行期信息。而后者僅僅包含著與執行該方法相關的信息。用開發人員通俗的話來講,Reflection是重量級,而MethodHandle是輕量級。

由于MethodHandle是對字節碼的方法指令調用的模擬,那理論上虛擬機在這方面做的各種優化(如方法內聯),在MethodHandle上也應當可以采用類似思路去支持(但目前實現還不完善)。而通過反射去調用方法則不行。

  MethodHandle與Reflection除了上面列舉的區別外,最關鍵的一點還在于去掉前面討論施加的前提“僅站在Java語言的角度看”之后:Reflection API的設計目標是只為Java語言服務的,而MethodHandle則設計為可服務于所有Java虛擬機之上的語言,其中也包括了Java語言而已。

使用詳解:通過代碼簡單介紹JDK 7的MethodHandle,并與.NET的委托對比 純轉一篇關于方法句柄的,對理解很多java poc幫助很大

invokedynamic指令

每一處含有invokedynamic指令的位置都被稱作“動態調用點(Dynamic Call Site)”,這條指令的第一個參數不再是代表方法符號引用的CONSTANT_Methodref_info常量,而是變為JDK 7新加入的CONSTANT_InvokeDynamic_info常量,從這個新常量中可以得到3項信息:引導方法(Bootstrap Method,此方法存放在新增的BootstrapMethods屬性中)、方法類型(MethodType)和名稱。引導方法是有固定的參數,并且返回值是java.lang.invoke.CallSite對象,這個代表真正要執行的目標方法調用。根據CONSTANT_InvokeDynamic_info常量中提供的信息,虛擬機可以找到并且執行引導方法,從而獲得一個CallSite對象,最終調用要執行的目標方法上。我們還是照例拿一個實際例子來解釋這個過程吧。如下面代碼清單所示:


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