Java 方法执行原理底层解析
java 文件经过javac编译后，变成了存储了一系列指令的.class文件。本文从指令层面分析Java 方法从解析、调用到执行的过程。
1 指令
一般格式：操作码 [操作数1] [操作数2] ...
| 操作码 | 1个字节的无符号整数（范围：0x00 ~ 0xFF）。 特点：1）每个操作码对应一个助记符（如iconst_1,iload,iadd等）。2）操作码决定了操作数类型及个数。 |
| 操作数 | 操作码所需的参数，紧跟在操作码后面。 |
表 指令的组成
1.1 未对齐的操作数
操作数的基本单位是字节。为了让.class文件更紧凑，jvm没有让操作数对齐。这意味着JVM需要逐个字节读取。
例如指令：0x11 0x03 0xE8 （sipush 1000）
0x11 是操作码，它的助记符是sipush。这个操作码的参数是1个2字节长度的操作数。
jvm 先读取第1个字节0x03,然后读取第2个字节 0xE8，最后将这两个字节组合：
(0x03 << 8) | 0xE8 => 0x03E8。
1.2 指令的执行模型
不考虑异常处理的话，JVM的解释器解析.class文件中的指令伪代码如下：
do {
PC 寄存器值++；
根据PC寄存器指示的位置，读取操作码；
if (操作码需要操作数) 读取操作数；
执行操作码所定义的操作；
} while(字节流长度 > 0)；1.3 方法相关指令
| invokestatic | 静态方法。 |
| invokespecial | 需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化、私有方法、和super调用。 |
| invokevirtual | 虚方法分派（可被重写的方法及final方法）。 |
| invokeinterface | 接口方法，在运行期间再确定一个实现该接口的对象。 |
| invokedynamic | 先在运行时动态解析调用点限定符所引用的方法，然后再执行该方法。Java 7 引入，用于支持动态语言特性，比如Lambda |
表 调用方法的指令
方法调用指令和数据类型无关，而方法返回指令根据返回值类型区分，包括ireturn、lreturn、freturn、dreturn、areturn（返回值为对象、数组等引用类型）及return（返回值为void）。
1.3.1 类与实例的初始化
| <clinit> | 类（或接口）的静态初始化方法。用于执行静态变量的赋值和静态代码块。 如果父类未初始化，会先触发父类的clinit方法，但接口的clinit不会因为实现类的初始化而触发（需要直接使用接口的静态变量才触发）。 |
| <init> | 对象的初始化方法，用于实例变量的赋值、实例代码块及构造器。 每个构造器对应一个init方法；子类构造器会隐式调用父类的init方法。 |
表 类与实例初始化方法
<clinit> 与<init>方法都是由编译器自动生成，用户无法调用。
2 方法调用
java 是一门静态多分派（和接收者及参数有关）、动态单分派（只能接收者有关）的语言。
静态分派：方法的静态类型在编译阶段是可知的（如方法重载，取决于参数类型、数量及位置）。
动态分派：运行时类型要在运行期才可知（方法重写，取决于执行对象的实际类型）。
2.1 虚方法表
JVM 在类初始化过程中，会为这个类维护一个虚拟方法表，存储该类所有可被重写的方法的入口地址。
虚方法表可理解为一个数组，每个数组元素（槽位）存储的是方法的入口地址。
虚方法表创建步骤如下：
1）父类的方法按声明顺序占据虚方法表的固定槽位。
2）子类继承父类的虚方法表，并保留父类方法的地址。
3）如果子类重写了父类的方法，子类的虚方法中对应的槽位会被替换为子类方法的地址。
4）子类新增的方法追加到虚方法表的末尾。
例如 Animal类又两个可重写的方法sound和eat,Dog类继承Animal类，并重写了eat方法，又新增了一个方法wagTail。则这两个类的虚方法表如下。
| Animal类的虚方法表 | Dog类的虚方法表 | ||
| 索引 | 方法地址 | 索引 | 方法地址 |
| 0 | Animal.sound() | 0 | Animal.sound() |
| 1 | Animal.eat() | 1 | Dog.eat() |
| 2 | Dog.wagTail() | ||
表 Animal 与 Dog类的虚方法表
2.1.1 动态分派过程
当父类引用调用方法时，JVM执行步骤如下：
- 获取对象的实际类型。
- 根据对象的实际类型查找对应的虚方法表。
- 根据方法调用指令的操作数（虚方法表的索引），找到方法入口地址。
- 执行对应方法。