Java方法调用机制

最近在编程时,修改方法传入对象的对象引用,并没有将修改反映到调用方法中。奇怪为什么结果没有变化,原因是遗忘了Java对象引用和内存分配机制。本文介绍3个点:

  ① 该问题举例说明

  ② 简要阐述Java内存区域

  ③ 介绍JVM中方法调用的机制

1. Java方法调用传参实例解析

Java中参数传递是值传递,即调用方法时,所有参数的传递都是值传递。基本类型直接将值拷贝给方法参数,引用类型将引用地址拷贝给方法参数。先看两个String类型和对象引用的实例。

(1)字符串对象引用

public static void main(String[] args) {
        String a = "123";
        app(a);
        System.out.println(a);
}
private static void app(String a) {
        //String不可修改,只会重新创建,故main中a不变
        a += "456";
}

 输出:123

分析:结果并没有因为调用了app方法,而输出123456。如注释中描述,String(由字符数组实现)是不可修改的,所有的修改都会重新创建新的String对象,并且字符串拼接也会重新创建String对象(具体见下文)。也就是说app中的a字符串引用已不再指向main中a指向的内存块,即main方法中a指向的内存块中字符串的值没有发送变化。

下图展示了对象引用与内存块的关系,可以看出来main方法中的与app方法中的a没关系,只是刚调用赋值的时候指向同一个内存块。

 

 (2)字符串拼接源码实现

通过下图中字节码命令可以看到,字符串拼接是通过StringBuilder实现的。

  • 读取的数据经第8行构建为String对象;
  • 字符串拼接拆分为11-19,第11行构建StringBuilder对象,第16行调append方法,将字段串拼接到后边(底层通过将字符串中的字符放入原字符串字符数组中)
  • 第19行,调StringBuilder.toString方法返回拼接好的字符串。

toString()的源码如下:

@Override
    public String toString() {
        // Create a copy, don't share the array
        return new String(value, 0, count);
    }

 

重新构建String对象,并且注释中说明创建拷贝,但不共享字符数组。String构造函数底层会调Arrays.copyOfRange(char[] original, int from, int to)方法,将original字符数组拷贝到一个新的字符数组中,源码如下:

public static char[] copyOfRange(char[] original, int from, int to) {
        int newLength = to - from;
        if (newLength < 0)
            throw new IllegalArgumentException(from + " > " + to);
        char[] copy = new char[newLength];
        System.arraycopy(original, from, copy, 0,
                         Math.min(original.length - from, newLength));
        return copy;
    }

(3)普通对象引用

public static void main(String[] args) {
        ListNode node = new ListNode(4);
        System.out.println(node);
        chg(node);
        System.out.println(node.val);
}

private static void chg(ListNode node) {
        node.val+=1;
        System.out.println(node);
        node= new ListNode(2);
        System.out.println(node);
        
}

static class ListNode{
        private int val;
        private ListNode next;
        ListNode(int val){
            this.val = val;
        }
}

输出:

test.InsertSortTest$ListNode@2a139a55
test.InsertSortTest$ListNode@2a139a55
test.InsertSortTest$ListNode@15db9742
5

分析:①  test.InsertSortTest$ListNode@2a139a55地址对应的对象,在main方法调chg方法传递参数的时候,将地址拷贝给chg方法的参数node,在chg方法中修改对象的值,此时两个方法中的node仍指向统一内存块,故main方法中输出为5。

②  node= new ListNode(2) 语句将chg方法中的node重新指向另一个对象地址test.InsertSortTest$ListNode@15db9742,此时main方法和chg方法中的node指向不同的对象。

2. Java内存区域

具体Java虚拟机运行时数据区的划分,网上有很多相关资料,还可以看《深入理解Java虚拟机》,在此就不赘述了。但需要说明一点JDK7和JDK8稍有不同,就是JDK8中将原有的方法区(Method Area)或永久代改为元空间(MetaSpace),即将存储类信息、静态变量等元数据信息从方法区(也是堆内存)移动到本地内存(native memory)中。将不会出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen异常,如果该区域设置了大小,可能会出现java.lang.OutOfMemoryError: Metadata space异常,如果不设置大小,默认是自增的。

JDK7中JVM运行时数据区的划分如下图:(JDK7时,已将字符串常量池从方法区移到堆中)

JDK8中JVM运行时数据区的划分:

这两张图分别参考自选择JDK1.8的理由之JVM内存变化深入理解系列之JDK8下JVM虚拟机(1)——JVM内存组成,其中对变化也阐述的比较清楚。

3. Java方法调用机制(字节码执行引擎)

栈帧是支持虚拟机方法调用和方法执行的数据结构,每个方法调用都对应一个栈帧。栈帧中包含局部变量表、操作栈、动态连接和方法返回地址等信息,结构如下图所示(图摘自Java —— 运行时栈帧结构): 

具体内容的介绍参考书《深入理解Java虚拟机》。简单总结如下:

  1. 基本概念

  • 栈帧中局部变量表的大小、操作数栈的大小在编译期确定;
  • 局部变量表用于存储方法参数和方法内部定义的局部变量,以槽(slot)为最小单位; 
  • 操作数栈用于存储指令计算对应的数据元素;
  • 动态连接是指向运行时常量池中该栈帧所属方法放入引用,在运行期间可以转化为直接引用;
  • 返回地址保存栈帧退出时,返回到方法被调用的位置,有正常退出(由PC计数器确定)和异常退出(由异常处理器表确定);

  2. 方法调用

  (1)解析

  • 方法调用在Class文件中存储的都是符号引用,而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址(或直接引用)
  • 在类加载的解析阶段,会将其中一部分符号引用转为直接引用,如编译期可知、运行期不可变的方法,包括静态方法和私有方法两大类,他们不可能被继承或重写;
  • 5条字节码指令:invokestatic(调静态方法)、invokespecial(调构造方法<init>、私有方法和父类方法)、invokevirtual(调虚方法)、invokeinterface(调接口方法,运行时确定实现该接口的对象)、invokedynamic(用于动态类型语言,暂不深究)。
  • 前2种对应的为非虚方法,解析阶段可以将符号引用转为直接引用,不会延迟到运行期;invokevirtual和invokeinterface作用于虚方法(除final方法外)

   (2)分派

  • Java多态性主要通过重载和重写实现,他们在JAVA虚拟机中是通过分派完成,包含静态分派(对应重载)和动态分派(对应重写)
  • 定义一个变量,其有静态类型和实际类型,静态类型变量本身不会被改变,在编译期可知;编译时程序不知道一个对象实际类型是什么。
  • 重载时,是通过参数的静态类型作为判断依据的;重写时,是在运行时根据实际类型作为判断依据,根据操作数栈顶所指的实际类型,去类型和父类型的常量池中查找对应方法。

  3. 方法执行

  Java虚拟机采用基于栈的字节码解释执行,过程涉及字节码指令、程序计数器、局部变量表和操作栈等,具体例子可参考书《深入理解Java虚拟机》。

4. 总结

  • 方法调用时,方法参数是通过值传递的,并且方法参数会存储在栈帧中的局部变量表中,当修改该参数变量的指针时,与原来变量所指的内存块不同
  • Java虚拟机在JDK8时,将原来的永久代(方法区)改为元空间,放入本地内存。其中一个好处是防止永久代空间溢出问题
  • Java方法调用和执行是基于栈的字节码指令解释执行引擎,调用过程中涉及什么时机将符号引用转为直接引用,非虚方法调用发生在解析阶段,重载发生在编译期,重写发生在运行时

5.参考

《深入理解Java虚拟机》

posted @ 2019-08-20 08:19  水木竹水  阅读(3811)  评论(0编辑  收藏  举报