7、方法调用的底层实现

main函数是JVM指令执行的起点，JVM会创建main线程来执行main函数，以触发JVM一系列指令的执行，真正地把JVM跑起来，接着，在我们的代码中，就是方法调用方法的过程。

方法调用的字节码指令：

java字节码共提供了5个指令，来调用不同类型的方法：

• invokestatic 用来调用静态方法
• invokespecial 用于调用私有实例方法、构造器及 super 关键字等
• invokevirtual 用于调用非私有实例方法，比如 public 和 protected，大多数方法调用属于这一种
• invokeinterface 和上面这条指令类似，不过作用于接口类
• invokedynamic 用于调用动态方法

非虚方法：
如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的，这样的方法称为非虚方法。
被 invokestatic 和 invokespecial 指令调用的方法，再加上invokevirtual指令调用的方法上用final修饰的方法，都是非虚方法。



虚方法
方法在运行时是可变的，虚方法主要包括以下字节码中的两类：
invokevirtual 用于调用非私有实例方法，比如 public 和 protected，大多数方法调用属于这一种（排除掉被 final 修饰的方法）；
invokeinterface 和上面这条指令类似，不过作用于接口类

分派
Java 是一门面向对象的程序语言，因为 Java 具备面向对象的 3 个基本特征:继承、封装和多态。 分派调用过程将会揭示多态性特征的一些最基本的体现，如“重载”和“重写”在 Java 虚拟机之中是如何实现的。

静态分派
静态分派多见于方法的重载（重载：在一个类里面，方法名字相同，而参数不同。返回类型可以相同也可以不同。）

“Human”称为变量的静态类型（Static Type），或者叫做的外观类型（Apparent Type），后面的“Man”则称为变量的实际类型（Actual Type）。 静态类型和实际类型在程序中都可以发生一些变化，区别是静态类型的变化仅仅在使用时发生，变量本身的静态类型不会被改变，并且最终的静态类型 是在编译期可知的；而实际类型变化的结果在运行期才可确定，编译器在编译程序的时候并不知道一个对象的实际类型是什么。 代码中定义了两个静态类型相同但实际类型不同的变量，但虚拟机（准确地说是编译器）在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判定 依据的。并且静态类型是编译期可知的，因此，在编译阶段，Javac 编译器会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本，所以选择了 sayHello（Human） 作为调用目标。所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作称为静态分派。

综上所述，代码的执行结果为：

动态分派
动态分派多见于方法的重写（重写：子类对父类的允许访问的方法的实现过程进行重新编写, 返回值和形参都不能改变。）

重写也是使用invokevirtual指令，只是这个时候具备多态性：
invokevirtual 指令有多态查找的机制，该指令运行时，解析过程如下：

• 找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象实际类型，记做 c；
• 如果在类型 c 中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法直接引用，查找过程结束，不通过则返回 java.lang.IllegalAccessError；
• 否则，按照继承关系从下往上依次对 c 的各个父类进行第二步的搜索和验证过程；
• 如果始终没找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常，这就是 Java
  语言中方法重写的本质。

invokevirtual 可以知道方法 call()的符号引用转换是在运行时期完成的，在方法调用的时候。部分符号引用在运行期间转化为直接引 用,这种转化就是动态链接。

方法表：
动态分派会执行非常频繁的动作，JVM 运行时会频繁的、反复的去搜索元数据，所以 JVM 使用了一种优化手段，这个就是在方法区中建立一个虚方法表。
使用虚方法表索引来替代元数据查找以提高性能。

Lambda 表达式
invokedynamic 这个字节码是比较复杂。和反射类似，它用于一些动态的调用场景，但它和反射有着本质的不同，效率也比反射要高得多。
invokedynamic 这个指令通常在 Lambda 语法中出现

使用 javap -p -v 命令可以在 main 方法中看到 invokedynamic 指令


BootstrapMethods 属性在 Java 1.7 以后才有，位于类文件的属性列表中，这个属性用于保存 invokedynamic 指令引用的引导方法限定符。 和上面介绍的四个指令不同，invokedynamic 并没有确切的接受对象，取而代之的，是一个叫 CallSite 的对象。

方法句柄（MethodHandle）
官方文档解释：https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/invoke/MethodHandles.html
invokedynamic 指令的底层，是使用方法句柄（MethodHandle）来实现的。方法句柄是一个能够被执行的引用，它可以指向静态方法和实例方法，以及虚 构的 get 和 set 方法，从以下案例中可以看到 MethodHandle 提供的一些方法。

MethodHandle 简单的说就是方法句柄，通过这个句柄可以调用相应的方法。
用 MethodHandle 调用方法的流程为：
(1) 创建 MethodType,获取指定方法的签名（出参和入参）
(2) 在 Lookup 中查找 MethodType 的方法句柄 MethodHandle
(3) 传入方法参数通过 MethodHandle 调用方法

MethodType 表示一个方法类型的对象，每个 MethodHandle 都有一个 MethodType 实例，MethodType 用来指明方法的返回类型和参数类型。其有多个工厂方法的重载。

MethodHandle.Lookup 可以通过相应的 findxxx 方法得到相应的 MethodHandle，相当于 MethodHandle 的工厂方法。查找对象上的工厂方法对应于方法、 构造函数和字段的所有主要用例。
findStatic 相当于得到的是一个 static 方法的句柄（类似于 invokestatic 的作用），findVirtual 找的是普通方法（类似于 invokevirtual 的作用）

invoke 其中需要注意的是 invoke 和 invokeExact,前者在调用的时候可以进行返回值和参数的类型转换工作，而后者是精确匹配的。

所以一般在使用是，往往 invoke 使用比 invokeExact 要多，因为 invokeExact 如果类型不匹配，则会抛错。

Lambda 表达式的捕获与非捕获
当 Lambda 表达式访问一个定义在 Lambda 表达式体外的非静态变量或者对象时，这个 Lambda 表达式称为“捕获的”

那么“非捕获”的 Lambda 表达式来就是 Lambda 表达式没有访问一个定义在 Lambda 表达式体外的非静态变量或者对象

Lambda 表达式是否是捕获的和性能悄然相关。一个非捕获的 lambda 通常比捕获的更高效，非捕获的 lambda 只需要计算一次. 然后每次使用到它都会返 回一个唯一的实例。而捕获的 lambda 表达式每次使用时都需要重新计算一次，而且从目前实现来看，它很像实例化一个匿名内部类的实例。 lambda 最差的情况性能内部类一样， 好的情况肯定比内部类性能高。 Oracle 公司的性能比较的文档，详细而全面的比较了 lambda 表达式和匿名函数之间的性能差别。 lambda 开发组也有一篇 PPT 其中也讲到了 lambda 的性能(包括 capture 和非 capture 的情况)。 lambda 最差的情况性能内部类一样， 好的情况肯定比内部 类性能高。 https://www.oracle.com/technetwork/java/jvmls2013kuksen-2014088.pdf
http://nerds-central.blogspot.tw/2013/03/java-8-lambdas-they-are-fast-very-fast.html

总结一下：
Lambda 语言实际上是通过方法句柄来完成的，大致这么实现（JVM 编译的时候使用 invokedynamic 实现 Lambda 表达式，invokedynamic 的是使用 MethodHandle 实现的，所以 JVM 会根据你编写的 Lambda 表达式的代码，编译出一套可以去调用 MethodHandle 的字节码代 码，参考实例类：MethodHandleDemo） 句柄类型（MethodType）是我们对方法的具体描述，配合方法名称，能够定位到一类函数。访问方法句柄和调用原来的指令基本一致，但它的调用异常， 包括一些权限检查，在运行时才能被发现。 案例中，我们完成了动态语言的特性，通过方法名称和传入的对象主体，进行不同的调用，而 Bike 和 Man 类，可以没有任何关系。 可以看到 Lambda 语言实际上是通过方法句柄来完成的，在调用链上自然也多了一些调用步骤，那么在性能上，是否就意味着 Lambda 性能低呢？对于 大部分“非捕获”的 Lambda 表达式来说，JIT 编译器的逃逸分析能够优化这部分差异，性能和传统方式无异；但对于“捕获型”的表达式来说，则需要通过方法句柄，不断地生成适配器，性能自然就低了很多（不过和便捷性相比，一丁点性能损失是可接受的）。 invokedynamic 指令，它实际上是通过方法句柄来实现的。和我们关系最大的就是 Lambda 语法，我们了解原理，可以忽略那些对 Lambda 性能高低的 争论，同时还是要尽量写一些“非捕获”的 Lambda 表达式。