Java8 Lambda表达式深入学习（2） -- InvokeDynamic指令详解

为了更好的支持动态类型语言，Java7通过JSR292给JVM增加了一条新的字节码指令：invokedynamic。之后，JVM上面的一些动态类型语言，比如Groovy（2.0+）和JRuby（1.7.0+）都开始支持invokedynamic。不过让人意外的是，为动态语言量身定制的invokedynamic指令，居然也被用到了Java8的Lambda表达式（JSR335）实现上。本文会对invokedynamic（以下简写做indy）指令做出详细解释。

测试代码

Java7以及更早版本的Java语法是没有办法编译生成indy指令的，所以我用Java8（主要是利用它的Lambda表达式）写了一个测试类，如下：

public class InDyTest {

    public static void main(String[] args) {
        Runnable x = () -> {
            //System.out.println("Hello, World!");
        };
    }

}

InvokeDynamic指令

根据JVM规范的规定，indy的操作码是186（0xBA），格式是：

invokedynamic indexbyte1 indexbyte2 0 0

InDy指令有四个操作数，前两个操作数构成一个索引[ (indexbyte1 << 8) | indexbyte2 ]，指向类的常量池，后两个操作数保留，必须是0。索引指向的常量池项的类型为CONSTANT_InvokeDynamic_info。编译InDyTest.java，然后用javap
-v -p指令反编译生成的.class文件，找到main()方法，可以看到，确实生成了一条indy指令：

常量池索引为#2，查看常量池可知，确实是一个CONSTANT_InvokeDynamic_info：

-

CONSTANT_InvokeDynamic_info

CONSTANT_InvokeDynamic_info结构是Java7新引入class文件的，其用途就是给indy指令指定启动方法（bootstrap method）等信息。它本身又包含两个索引，如下所示：

CONSTANT_InvokeDynamic_info {
    u1 tag;
    u2 bootstrap_method_attr_index;
    u2 name_and_type_index;
}

其中name_and_type_index索引类常量池里的CONSTANT_NameAndType_info， 这个结构在Java7之前就有，所以不过多介绍。从上面的截图可以知道，它描述的是这样一个方法：

Runnable run() { ... } 

bootstrap_method_attr_index索引bootstrap_methods表，bootstrap_methods位于class文件的attributes表里。

BootstrapMethods属性

JVM规范规定，如果类的常量池中存在CONSTANT_InvokeDynamic_info的话，那么attributes表中就必定有且仅有一个BootstrapMethods属性。BootstrapMethods属性是个变长的表，结构如下所示：

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];
}

每一个BootstrapMethod都包含一个bootstrap_method_ref和n个bootstrap_arguments。bootstrap_method_ref是个常量池索引，指向一个CONSTANT_MethodHandle_info。而每一个bootstrap_argument也都是常量池索引，可以指向下面这些结构：

• CONSTANT_String_info
• CONSTANT_Class_info
• CONSTANT_Integer_info
• CONSTANT_Long_info
• CONSTANT_Float_info
• CONSTANT_Double_info
• CONSTANT_MethodHandle_info
• CONSTANT_MethodType_info

下面我们继续看javap的反编译结果：

确实存在一个BootstrapMethods表，这个表中只有一个BootstrapMethod，它的bootstrap_method_ref是常量池#23，有三个bootstrap_arguments，分别指向常量池#24，#25和#24：

CONSTANT_MethodHandle_info

CONSTANT_MethodHandle_info结构包含两项信息，其结构如下所示：

CONSTANT_MethodHandle_info {
    u1 tag;
    u1 reference_kind;
    u2 reference_index;
}

reference_kind是一个1到9之间的整数，具体含义可以参考JVM规范。reference_index是常量池索引，但具体索引的是什么类型的常量，需要看reference_kind：

通过观察常量池#23可以看到，它的reference_kind是6（REF_invokeStatic），reference_index是#29，正好是个CONSTANT_Methodref_info：

-

也就是说，引用的是java.lang.invoke.LambdaMetafactory类的静态方法metafactory()。

引用关系图

由于Java类文件格式的原因，要想真正理解上面说的内容，确实有点困难。我画了一张图来帮助我们理解：

JVM如何执行indy指令

前面从class文件的角度，分析了indy指令。下面让我们看看JVM是如何执行indy指令的。

• 每一个indy指令出现的地方，都叫做一个dynamic call site（动态调用点）
• 根据indy指令的操作数，可以找到一个call site specifier（调用点说明符），根据前面的分析，这个说明符其实就常量池里的CONSTANT_InvokeDynamic_info
• JVM解析（resolve）调用点说明符，得到下面三种信息：
  • 一个MethodHandle，指向bootstrap method（启动方法）
  • 方法名和方法描述，表示动态调用的方法
  • 其他提供给启动方法的参数
• 接着JVM调用启动方法，并把上一步提到的信息通过参数传给启动方法
• 启动方法必须返回一个CallSite对象，并且，这个CallSite对象将永久和这个动态调用点关联
• 调用跟CallSite关联的MethodHandle指向的方法

下面是一张示意图，画出了关键点：

LambdaMetafactory.metafactory()

下面看一下LambdaMetafactory.metafactory()方法的源代码：

    public static CallSite metafactory(MethodHandles.Lookup caller,
                                       String invokedName, // run
                                       MethodType invokedType, // ()Runnable
                                       MethodType samMethodType, // ()void
                                       MethodHandle implMethod, // ()void
                                       MethodType instantiatedMethodType) // ()void
            throws LambdaConversionException {

        ...
    }

通过加断点运行InDyTest，可以看到传递给metafactory()方法的参数，我在上面的代码里进行了注释。

总结

indy指令看似简单，但实际上非常复杂。希望本文能够帮助你理解indy指令。

Java8 Lambda表达式深入学习（2） -- InvokeDynamic指令详解