2023年12月19日 (二) 09:07 Riguz

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Riguz移动页面Blog:浅析Java中的InvokeDynamic至JVM InvokeDynamic，不留重定向

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2021年7月5日 (一) 04:43 Riguz

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2021年7月5日 (一) 04:42 Riguz

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			[[Image:Strong-Duck-Typing.jpeg]]

	= `invokedynamic`指令=		= `invokedynamic`指令=

imported>Riguz：Java语言在被编译成class文件后，在class文件中，有专门的一个[“常量池”(Constant Pool)](https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.4)区域来存储一些运行所需要的常量，包括一些写死的变量（比如定义一个字符串`String str = "Hello world"`以及一些符号，例如类和方法的的名称等）。在JVM(se7)规范中，有以下这些类型的常量： ```bash CONSTANT_Class CONSTANT_Long CONSTANT_Fieldref CONSTANT_Double CONSTANT_Methodref CONSTANT_NameAndType CONSTANT_InterfaceMethodref CONSTANT_Utf8…

2019-12-24T00:00:00Z

Java语言在被编译成class文件后，在class文件中，有专门的一个[“常量池”(Constant Pool)](https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.4)区域来存储一些运行所需要的常量，包括一些写死的变量（比如定义一个字符串`String str = "Hello world"`以及一些符号，例如类和方法的的名称等）。在JVM(se7)规范中，有以下这些类型的常量： ```bash CONSTANT_Class CONSTANT_Long CONSTANT_Fieldref CONSTANT_Double CONSTANT_Methodref CONSTANT_NameAndType CONSTANT_InterfaceMethodref CONSTANT_Utf8…

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Java语言在被编译成class文件后，在class文件中，有专门的一个[https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.4 “常量池”(Constant Pool)]区域来存储一些运行所需要的常量，包括一些写死的变量（比如定义一个字符串`String str = "Hello world"`以及一些符号，例如类和方法的的名称等）。在JVM(se7)规范中，有以下这些类型的常量：

<syntaxhighlight lang="bash">
CONSTANT_Class CONSTANT_Long
CONSTANT_Fieldref CONSTANT_Double
CONSTANT_Methodref CONSTANT_NameAndType
CONSTANT_InterfaceMethodref CONSTANT_Utf8
CONSTANT_String CONSTANT_MethodHandle
CONSTANT_Integer CONSTANT_MethodType
CONSTANT_Float CONSTANT_InvokeDynamic
</syntaxhighlight>
大部分我们顾名思义，都可以知道是大概是干啥的，比如字符串啊，数字啊，方法名称之类的；但是可以注意到最后面一个是称之为`CONSTANT_InvokeDynamic`的常量，这个就有点陌生了。那么，这是一个什么样的常量？什么情况下会出现这个呢？

= `invokedynamic`指令=
在JVM规范中有说，`CONSTANT_InvokeDynamic`常量是用来给`invokedynamic`指令指定一系列的参数的，那么有必要先了解一下`invokedynamic`这个指令了。这是Java 7引入的一个新指令，也是自Java 1.0以来第一次引入新的指令。

== Java7之前的`invoke-`指令==
实际上，在此之前，已经有一些列的`invoke`开头的指令了：

* `invokevirtual`：用来调用类的实例方法，也就是最普遍的方式
* `invokestatic`：用来调用静态方法
* `invokeinterface`：用来调用通过接口调用的方法
* `invokespecial`：用来调用一些编译时就能够确定的，包括初始化(`<init>`)、类的私有方法，以及父类的方法(`super.someMethod()`)

拿一个简单的Java程序来看看是怎么回事：

<syntaxhighlight lang="java">
// Foo.java
public class Foo {
public static void main(String[] args) {
long now = System.currentTimeMillis(); //静态方法调用

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>(); //构造函数将被调用
List<String> list = arrayList;

arrayList.add("hello"); //调用类实例方法
list.add("world"); //通过接口调用
}
}
</syntaxhighlight>
通过`javac Foo.java && javap -v Foo`可以查看编译后生成的class文件，里面可以找到`invoke`相关的指令调用：

<pre>
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=5, args_size=1
0: invokestatic #2 // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J
3: lstore_1
4: new #3 // class java/util/ArrayList
7: dup
8: invokespecial #4 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
11: astore_3
12: aload_3
13: astore 4
15: aload_3
16: ldc #5 // String hello
18: invokevirtual #6 // Method java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z
21: pop
22: aload 4
24: ldc #7 // String world
26: invokeinterface #8, 2 // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
31: pop
32: return
</pre>
这样就比较好理解了，就跟我们平常调用函数一样，

* `System.currentTimeMillis()`静态函数的调用生成了`invokestatic`指令，这个指令的参数是静态方法（包含类名和方法名）
* `ArrayList`的构造方法调用生成了`invokespecial`指令，这里在`new`指令之后接着使用`invokespecial`指令来进行初始化操作
* 通过`ArrayList`的实例方法`add`调用生成了`invokevirtual`指令
* 而通过`List`接口的`add`方法调用生成了`invokeinterface`指令

尽管已经有了以上的四种指令，这些指令都有一个特点，那就是不管是什么方法，是静态还是实例方法，是子类还是父类的方法，在编译的时候已经能够确定出到底会调用到哪个方法了。有没有一种可能，就是我在编译的时候不能确定，而是在运行的时候才能确定呢？

== 鸭子类型（***Duck Typing***）==

这就是所谓的[https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B8%AD%E5%AD%90%E7%B1%BB%E5%9E%8B 鸭子类型]了，可能叫***Duck typing***其实更好理解一点，这个名称来源自[https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B8%AD%E5%AD%90%E6%B5%8B%E8%AF%95 鸭子测试]:

> “当看到一只鸟走起来像鸭子、游泳起来像鸭子、叫起来也像鸭子，那么这只鸟就可以被称为鸭子。”

[[File:https://devopedia.org/images/article/24/2998.1514520209.jpg|600px|A humorous and apt representation of duck typing. Source: Mastracci, 2014.]]

我们知道，Java是一个强类型的语言，有很多的类型检查，比如你要调用某个接口，而被调用的对象没有实现这个接口那么是无法完成的。而Duck Typing正如上面这个图片形象的表示，我并不关心对象本身是个什么东西，而关心这个对象是否支持我所需要的所有属性或者方法。维基百科上的这个伪代码可以更直接的解释：

<pre>
function calculate(a, b, c) => return (a+b)*c

example1 = calculate (1, 2, 3)
example2 = calculate ([1, 2, 3], [4, 5, 6], 2)
example3 = calculate ('apples ', 'and oranges, ', 3)
</pre>

这些对象没有使用继承或者其他的方式相互发生联系，但只要它们支持`+`和`*`这两个方法，调用就可以成功。`invokedyanmic`指令从某种程度上来说，就是为了支持*Duck typing*。

看到这里可能细心的读者会注意到，咦，这东西看着好像`lambda`?

没错，事实上`lambda`的确是跟`invokedynamic`有关的，但有意思的是`lambda`是直到Java 8才推出（[https://www.jcp.org/en/jsr/detail?id=335 JSR 335: Lambda Expressions for the JavaTM Programming Language])。在此之前，是无法通过`javac`编译器生成包含这个指令的class的。`invokedynamic`指令是在[https://jcp.org/en/jsr/detail?id=292 JSR 292: Supporting Dynamically Typed Languages on the JavaTM Platform]中被引入的，可以注意到，原本是为了支持基于JVM的动态语言，并不是说要在Java中来做Duck typing，这样就比较合理了。

当然借助于一些字节码操作框架（例如[http://www.csg.is.titech.ac.jp/~chiba/javassist/ Javassit]、[http://asm.ow2.org/ ASM]等，是可以手动创造出含有`invokedynamic`的class的，不过会有些麻烦。

== lambda与invokedynamic==
如果我们用支持`lambda`的Java 8是可以很容易的创建出一个包含`invokedynamic`常量和指令的class的，比如下面这个例子：

<syntaxhighlight lang="java">
import java.util.function.*;

public class Hello {

public static void main(String[] args) {
Supplier<String> welcome = () -> "Hello world!";
System.out.println(welcome.get());
}
}
</syntaxhighlight>
当查看编译后的class文件会发现有下面的部分：

<pre>
Constant pool:
#1 = Methodref #9.#20 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = InvokeDynamic #0:#26 // #0:get:()Ljava/util/function/Supplier;

public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: invokedynamic #2, 0 // InvokeDynamic #0:get:()Ljava/util/function/Supplier;
</pre>

一个就是在常量池中可以看到一个InvokeDynamic类型的常量，指向了`Supplier.get()`方法；另一个就是在`main`方法中对lambda的调用，被编译成`invokedynamic`指令。

= invokedynamic的机制=
来研究一下`invokedyanmic`到底是怎么工作的吧。要了解它怎么工作的，我们先要知道编译生成的class文件中有些什么。刚我们看到，class文件中有两个部分与之相关，一个是常量池中的InvokeDyanmic信息，另一个是方法字节码中的`invokedynamic`指令调用。实际上JVM在引入这个新指令的同时，也在常量池(Constant Pool)和属性表(Attributes)中加入了与之相关的内容，也就是`CONSTANT_InvokeDynamic_info`和`BootstrapMethods_attribute`。得益于class文件的扩展性，这些改动实际上并没有改变class文件本身的结构，仅仅只是加了更多合法的选项在里边。

== 引导函数(Bootstrap method)表==
在class的`Attributes`（属性表）中新加入的一个`BootstrapMethods_attribute`属性，这个属性里面会存储一些函数的相关信息，而且是和`CONSTANT_InvokeDynamic`常量一一对应的。

<syntaxhighlight lang="c++">
BootstrapMethods_attribute {
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 num_bootstrap_methods;
{ u2 bootstrap_method_ref;
u2 num_bootstrap_arguments;
u2 bootstrap_arguments[num_bootstrap_arguments];
} bootstrap_methods[num_bootstrap_methods];
}
</syntaxhighlight>

每一个引导函数都包含几个重要的属性：

* bootstrap_method_ref: 指向一个`CONSTANT_MethodHandle_info`引用，表明实际调用的方法信息
* bootstrap_arguments: 对应这个函数的参数

这个引导函数通常是这个样子：

<syntaxhighlight lang="java">
static CallSite bootstrapMethod(MethodHandles.Lookup caller, String name, MethodType type);
</syntaxhighlight>
这个函数返回一个调用点([https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/invoke/CallSite.html CallSite])对象，这个对象包含了方法调用所需要的一切信息，用来给`invokedynamic`指令使用。

在Java8的`java.lang.invoke.LambdaMetafactory`类中，对应也增加定义了两个用来支持调用lambda的引导函数：

<syntaxhighlight lang="java">
static CallSite altMetafactory(MethodHandles.Lookup caller, String invokedName, MethodType invokedType,
Object... args);
static CallSite metafactory(MethodHandles.Lookup caller, String invokedName, MethodType invokedType,
MethodType samMethodType, MethodHandle implMethod, MethodType instantiatedMethodType);
</syntaxhighlight>

而在上面的例子中，这个引导函数是这样的：

<pre>
BootstrapMethods:
0: #22 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
Method arguments:
#23 ()Ljava/lang/Object;
#24 invokestatic Hello.lambda$main$0:()Ljava/lang/String;
#25 ()Ljava/lang/String;
</pre>

== InvokeDynamic常量==

InvokeDynamic常量的定义如下：

<syntaxhighlight lang="c++">
CONSTANT_InvokeDynamic_info {
u1 tag;
u2 bootstrap_method_attr_index;
u2 name_and_type_index;
}
</syntaxhighlight>

其中`bootstrap_method_attr_index`指向一个引导函数(Bootstrap method)的序号，`name_and_type_index`则表明方法的名称和描述。在上面的例子中，仅有一个引导函数，这个`bootstrap_method_attr_index`自然就是对应到这个引导函数了。而在`invokedynamic`指令调用的地方，是这样的：

<pre>
invokedynamic #2, 0 // InvokeDynamic #0:get:()Ljava/util/function/Supplier;
</pre>
其中这个`#2`即常量池中的`InvokeDynamic`常量。

== `invokedynamic`指令==

根据[https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html#jvms-6.5.invokedynamic JVM的规范]中的描述可以看到`invokedynamic`指令的格式如下：

<pre>
invokedynamic indexbyte1 indexbyte2 0 0
</pre>

其中前两个操作数可以通过`(indexbyte1 << 8) | indexbyte2`的方式合成一个常量池中的索引值，也就是上面的`#2`，而另外两个操作数是固定的0。

= Labmda的JVM实现=

刚才已经看到，Java中对lambda'的调用实际上通过`LambdaMetafactory.metafactory`来完成的，通过了解这个类的实现，可以一看lambda的究竟。

[[File:debug_metafactory.png|600px|Debug metafactory]]

在这个类里面创建了一个匿名类，并通过`UNSAFE.ensureClassInitialized(innerClass)`直接加载到JVM中，没有出现在class文件中，不过通过jvm参数可以输出出来：

<syntaxhighlight lang="bash">
java -Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses=/Users/hfli/Downloads/tmp Hello
</syntaxhighlight>
这样会生成一个`Hello$$Lambda$1.class`的文件，反编译这个类可以看到如下的信息：

<syntaxhighlight lang="java">
final class Hello$$Lambda$1 implements Supplier {
private Hello$$Lambda$1() {
}

@Hidden
public Object get() {
return Hello.lambda$main$0();
}
}
</syntaxhighlight>

这里实际是包装了一下`Supplier`接口，而具体调用的`Hello.lambda$main$0()`方法，可以在`Hello.class`文件中看到（需要使用`javap -p`选项输出私有方法):

<pre>
private static java.lang.String lambda$main$0();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_SYNTHETIC
Code:
stack=1, locals=0, args_size=0
0: ldc #7 // String Hello world!
2: areturn
LineNumberTable:
line 6: 0
</pre>

所以大致是这个样子的过程：

* 调用lambda时，首先通过找到对应的引导方法（也就是`metafactory()`)，开始执行
* JVM生成一个匿名类`Hello$$Lambda$1`，这个类中包含了lambda的实际实现
* 创建一个CallSite，绑定到一个MethodHandle指向这个匿名类的实现`Hello$$Lambda$1.get()`。这里引导方法就调用完成了
* 这个MethodHandle指向的方法被执行，调用到`Hello.lambda$main$0()`关联的字节码，得到最终的结果

值得注意的是，引导方法只需要执行一次，如果一个lambda执行了多次，那么只有第一次会去调用引导方法生成CallSite，以后都可以直接拿来使用了。

= 结语=

通过上面的描述，相信大家对`invokedynamic`有了一个粗略的了解，但要真正深入去了解的话，还是有很多东西需要去了解和研究的。虽然`invokedynamic`指令很强大，给了JVM的开发者很大的自由度，但实际上对于Java程序员来说，并没有太多可以操控的东西。如同上面提到的Duck Typing，在C#中可以这样：

<syntaxhighlight lang="c#">
Object obj = ...; // no static type available
dynamic duck = obj;
duck.quack(); // or any method. no compiler checking.
</syntaxhighlight>
可能我们永远也没法使用Java来完成同样的任务，也许有一部分人会比较失望，但本身这是一把双刃剑，我还是倾向[http://www.yinwang.org/blog-cn/2016/01/18/java 给Java说句公道话]。而借助于JVM平台，我们实际上有了越来越多的选择，Scala, Kotlin，Groovy等等。可以说从某个方面来讲，正是Java决策者对于每一个决策的慎重，才造就了今天Java程序员不愁饭吃的局面。

> "When you have 9 million programmers using your language and out of which 1 million programmers know where you live you have to decide things differently."
> ——[https://www.youtube.com/watch?v=1OpAgZvYXLQ&t=1993s Venkat Subramaniam]

参考文章：

* [https://www.infoq.com/articles/Invokedynamic-Javas-secret-weapon/ Invokedynamic - Java’s Secret Weapon]
* [https://stackoverflow.com/questions/6638735/whats-invokedynamic-and-how-do-i-use-it What's invokedynamic and how do I use it?]
* [https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B8%AD%E5%AD%90%E7%B1%BB%E5%9E%8B Duck Typing - Wiki]
* [https://devopedia.org/duck-typing Duck Typing]
* [http://blog.headius.com/2008/09/first-taste-of-invokedynamic.html A First Taste of InvokeDynamic]
* [https://www.javacodegeeks.com/2012/02/java-7-complete-invokedynamic-example.html Java 7: A complete invokedynamic example]
* [https://my.oschina.net/lt0314/blog/3146028 你不知道Lambda的秘密和陷阱]
* [http://wiki.jvmlangsummit.com/images/9/93/2011_Forax.pdf JSR 292 Cookbook]
* [https://www.jianshu.com/p/d74e92f93752 理解 invokedynamic]

邮件阅读体验不佳，如需更好体验可以移步 [https://riguz.com/it/java/java_invokedynamic/ 在线版本]

JVM InvokeDynamic - 版本历史

2023年12月19日 (二) 09:07 Riguz

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2021年7月5日 (一) 04:43 Riguz

2021年7月5日 (一) 04:42 Riguz

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