Java方法调用的字节码指令学习

Wesley13
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Java1.8环境下,我们在编写程序时会进行各种方法调用,虚拟机在执行这些调用的时候会用到不同的字节码指令,共有如下五种:

  1. invokespecial:调用私有实例方法;
  2. invokestatic:调用静态方法;
  3. invokevirtual:调用实例方法;
  4. invokeinterface:调用接口方法;
  5. invokedynamic:调用动态方法;

这里我们通过一个实例将这些方法调用的字节码指令逐个列出。

实例源码

实例共两个java文件,一个是接口另一个是类,先看接口源码,很简单只有一个方法声明:

package com.bolingcavalry;

public interface Action {
    void doAction();
}

接下来的类实现了这个接口,而且还有自己的共有、私有、静态方法:

package com.bolingcavalry;

public class Test001 implements Action{
    private int add(int a, int b){
        return a+b;
    }

    public String getValue(int a, int b){
        return String.valueOf(add(a,b));
    }

    public static void output(String str){
        System.out.println(str);
    }

    @Override
    public void doAction() {
        System.out.println("123");
    }

    public static void main(String[] args){
        Test001 t = new Test001();
        Action a = t;
        String str = t.getValue(1,2);
        t.output(str);
        t.doAction();
        a.doAction();
    }
    
    public void createThread(){
        Runnable r = () -> System.out.println("123");
    }
}

小结一下,Test001的代码中主要的方法如下:

  1. 一个私有方法add;
  2. 一个公有方法getValue,里面调用了add方法;
  3. 一个静态方法output;
  4. 实现接口定义的doAction;
  5. 一个公有方法,里面使用了lambda表达式;
  6. main方法中,创建对象,调用getValue,output,doAction;

接下来我们通过javac命令或者ide工具得到Action.class和Test001.class文件,如果是用Intellij IDEA,可以先把Test001运行一遍,然后在工程目录下找到out文件夹,打开后里面是production文件夹,再进去就能找到对应的package和class文件了,如下图:

Java方法调用的字节码指令学习

打开命令行,在Test001.class目录下执行javap -c Test001.class ,就可以对class文件进行反汇编,得到结果如下:

Compiled from "Test001.java"
public class com.bolingcavalry.Test001 implements com.bolingcavalry.Action {
  public com.bolingcavalry.Test001();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public java.lang.String getValue(int, int);
    Code:
       0: aload_0
       1: iload_1
       2: iload_2
       3: invokespecial #2                  // Method add:(II)I
       6: invokestatic  #3                  // Method java/lang/String.valueOf:(I)Ljava/lang/String;
       9: areturn

  public static void output(java.lang.String);
    Code:
       0: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       7: return

  public void doAction();
    Code:
       0: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #6                  // String 123
       5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #7                  // class com/bolingcavalry/Test001
       3: dup
       4: invokespecial #8                  // Method "<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: astore_2
      10: aload_1
      11: iconst_1
      12: iconst_2
      13: invokevirtual #9                  // Method getValue:(II)Ljava/lang/String;
      16: astore_3
      17: aload_1
      18: pop
      19: aload_3
      20: invokestatic  #10                 // Method output:(Ljava/lang/String;)V
      23: aload_1
      24: invokevirtual #11                 // Method doAction:()V
      27: aload_2
      28: invokeinterface #12,  1           // InterfaceMethod com/bolingcavalry/Action.doAction:()V
      33: return

public void createThread();
    Code:
       0: invokedynamic #13,  0             // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
       5: astore_1
       6: return

}

现在我们可以对比反汇编结果来学习字节码的用法了:

invokespecial:调用私有实例方法

getValue()方法中调用了私有实例方法add(int a, int b),反编译结果如下所示,注意编号为3的那一行:

public java.lang.String getValue(int, int);
    Code:
       0: aload_0
       1: iload_1
       2: iload_2
       3: invokespecial #2                  // Method add:(II)I
       6: invokestatic  #3                  // Method java/lang/String.valueOf:(I)Ljava/lang/String;
       9: areturn

可见私有实例方法的调用是通过invokespecial指令来实现的;

invokestatic:调用静态方法

getValue()方法中,调用了静态方法String.valueOf(),反编译结果如下所示,注意编号为6的那一行:

public java.lang.String getValue(int, int);
    Code:
       0: aload_0
       1: iload_1
       2: iload_2
       3: invokespecial #2                  // Method add:(II)I
       6: invokestatic  #3                  // Method java/lang/String.valueOf:(I)Ljava/lang/String;
       9: areturn

可见静态方法的调用是通过invokestatic指令来实现的;

invokevirtual:调用实例方法

在main()方法中,调用了t.getValue(1,2)方法,反编译结果如下所示,注意编号为13的那一行:

public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #7                  // class com/bolingcavalry/Test001
       3: dup
       4: invokespecial #8                  // Method "<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: astore_2
      10: aload_1
      11: iconst_1
      12: iconst_2
      13: invokevirtual #9                  // Method getValue:(II)Ljava/lang/String;
      16: astore_3
      17: aload_1
      18: pop
      19: aload_3
      20: invokestatic  #10                 // Method output:(Ljava/lang/String;)V
      23: aload_1
      24: invokevirtual #11                 // Method doAction:()V
      27: aload_2
      28: invokeinterface #12,  1           // InterfaceMethod com/bolingcavalry/Action.doAction:()V
      33: return
}

可见调用一个实例的方法的时候,通过invokevirtual指令来实现的;

invokeinterface:调用接口方法

在main()方法中,我们声明了接口Action a,然后调用了a.doAction(),反编译结果如下所示,注意编号为28的那一行:

public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #7                  // class com/bolingcavalry/Test001
       3: dup
       4: invokespecial #8                  // Method "<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: astore_2
      10: aload_1
      11: iconst_1
      12: iconst_2
      13: invokevirtual #9                  // Method getValue:(II)Ljava/lang/String;
      16: astore_3
      17: aload_1
      18: pop
      19: aload_3
      20: invokestatic  #10                 // Method output:(Ljava/lang/String;)V
      23: aload_1
      24: invokevirtual #11                 // Method doAction:()V
      27: aload_2
      28: invokeinterface #12,  1           // InterfaceMethod com/bolingcavalry/Action.doAction:()V
      33: return
}

可见调用一个接口的方法是通过invokeinterface指令来实现的; 其实t.doAction()和a.doAction()最终都是调用Test001的实例的doAction,但是t的声明是类,a的声明是接口,所以两者的调用指令是不同的;

invokedynamic:调用动态方法

在main()方法中,我们声明了一个lambda() -> System.out.println("123"),反编译的结果如下:

 0: invokedynamic #13,  0             // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
       5: astore_1
       6: return

可见lambda表达式对应的实际上是一个invokedynamic调用,具体的调用内容,可以用Bytecode viewer这个工具来打开Test001.class再研究,由于反编译后得到invokedynamic的操作数是#13,我们先去常量池看看13对应的内容:

Java方法调用的字节码指令学习

是个Name and type和Bootstrap method,再细看Bootstrap method的操作数,如下图:

Java方法调用的字节码指令学习

是个MethodHandler的引用,指向了用户实现的lambda方法;

以上就是五种方法调用的字节码指令的简单介绍,实际上每个指令背后都对应着更复杂的调用和操作,有兴趣的读者可以通过虚拟机相关的书籍和资料继续深入学习。

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