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inDy（invokedynamic）是 java 7 引入的一條新的虛擬機(jī)指令，這是自 1.0 以來(lái)第一次引入新的虛擬機(jī)指令。到了 java 8 這條指令才第一次在 java 應(yīng)用，用在 lambda 表達(dá)式中。 indy 與其他 invoke 指令不同的是它允許由應(yīng)用級(jí)的代碼來(lái)決定方法解析。所謂應(yīng)用級(jí)的代碼其實(shí)是一個(gè)方法，在這里這個(gè)方法被稱為引導(dǎo)方法（Bootstrap Method），簡(jiǎn)稱 BSM。BSM 返回一個(gè) CallSite（調(diào)用點(diǎn)）對(duì)象，這個(gè)對(duì)象就和 inDy 鏈接在一起了。以后再執(zhí)行這條 inDy 指令都不會(huì)創(chuàng)建新的 CallSite 對(duì)象。CallSite 就是一個(gè) MethodHandle（方法句柄）的 holder。方法句柄指向一個(gè)調(diào)用點(diǎn)真正執(zhí)行的方法。

理解 MethodHandle（方法句柄）的一種方式就是將其視為以安全、現(xiàn)代的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)反射的核心功能。

一個(gè) java 方法的實(shí)體有四個(gè)構(gòu)成：

方法名
簽名--參數(shù)列表和返回值
定義方法的類
方法體（代碼）

同一個(gè)類中，方法名相同，簽名不同，JVM 會(huì)視為不同的方法，不過(guò)在 Java 中只支持簽名的參數(shù)列表部分，也就是重載多態(tài)。一次方法調(diào)用，除了要方法的實(shí)體外，還要調(diào)用者（caller）和接收者（receiver），調(diào)用者也就是方法調(diào)用語(yǔ)句所在的類。接收者是一個(gè)對(duì)象，每個(gè)方法調(diào)用都要一個(gè)接收者，它可以是隱藏的（this），也可以是類方法，比如： String.valueOf，類也是 Class 的一個(gè)實(shí)例。

MethodType 表示方法簽名。

用 MethodHandle 實(shí)現(xiàn)的方法調(diào)用的示例如下，可以看到方法的四個(gè)構(gòu)成：

Object rcvr = "a";
try {
    MethodType mt = MethodType.methodType(int.class); // 方法簽名
    MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup(); // 調(diào)用者，也就是當(dāng)前類。調(diào)用者決定有沒(méi)有權(quán)限能訪問(wèn)到方法
    MethodHandle mh = l.findVirtual(rcvr.getClass(), "hashCode", mt); //分別是定義方法的類，方法名，簽名

    int ret;
    try {
        ret = (int)mh.invoke(rcvr); // 代碼，第一個(gè)參數(shù)就是接收者
        System.out.println(ret);
    } catch (Throwable t) {
        t.printStackTrace();
    }
} catch (IllegalArgumentException | NoSuchMethodException | SecurityException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException x) {
    x.printStackTrace();
}

詳細(xì)可參考：

Invokedynamic - Java’s Secret Weapon
和譯文 Invokedynamic：Java的秘密武器 - 知乎專欄

java8 lambda 表達(dá)式

lambda 表達(dá)式是怎么使用 inDy 呢？以一段簡(jiǎn)單的代碼為例

public class LambdaTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> System.out.println(Arrays.toString(args));
        r.run();
    }
}

用 javap -v -p LambdaTest 查看字節(jié)碼，可以發(fā)現(xiàn)寥寥幾行 java 代碼生成的字節(jié)碼卻不少，單單常量池常量就有 66 個(gè)之多。輸出見(jiàn) LambdaTest.class。

可以發(fā)現(xiàn)多出了一個(gè)新方法，方法體就是 lambda 體（lambda body），轉(zhuǎn)換為源碼如下：

private static void lambda$main$0(java.lang.String[] args){
    System.out.println(Arrays.toString(args));
}

主要看一下 main 方法，并沒(méi)有直接調(diào)用上面的方法，而是出現(xiàn)一條 inDy 指令：

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokedynamic #2,  0              // InvokeDynamic #0:run:([Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Runnable;
         6: astore_1
         7: aload_1
         8: invokeinterface #3,  1            // InterfaceMethod java/lang/Runnable.run:()V
        13: return

可以看到 inDy 指向一個(gè)類型為 CONSTANT_InvokeDynamic_info 的常量項(xiàng) #2，另外 0 是預(yù)留參數(shù)，暫時(shí)沒(méi)有作用。

#2 = InvokeDynamic      #0:#30         // #0:run:([Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Runnable;

#0 表示在 Bootstrap methods 表中的索引：

BootstrapMethods:
  0: #27 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #28 ()V
      #29 invokestatic com/company/LambdaTest.lambda$main$0:([Ljava/lang/String;)V
      #28 ()V

#30 則是一個(gè) CONSTANT_NameAndType_info，表示方法名和方法類型（返回值和參數(shù)列表），這個(gè)會(huì)作為參數(shù)傳遞給 BSM。

#30 = NameAndType        #43:#44        // run:([Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Runnable;

再看回表中的第 0 項(xiàng)，#27 是一個(gè) CONSTANT_MethodHandle_info，實(shí)際上是個(gè) MethodHandle（方法句柄）對(duì)象，這個(gè)句柄指向的就是 BSM 方法。在這里就是:

java.lang.invoke.LambdaMetafactory.metafactory(MethodHandles.Lookup,String,MethodType,MethodType,MethodHandle,MethodType)

BSM 前三個(gè)參數(shù)是固定的，后面還可以附加任意數(shù)量的參數(shù)，但是參數(shù)的類型是有限制的，參數(shù)類型只能是

String
Class
int
long
float
double
MethodHandle
MethodType

LambdaMetafactory.metafactory 帶多三個(gè)參數(shù)，這些的參數(shù)的值由 Bootstrap methods 表提供：

Method arguments:
  #25 ()V
  #26 invokestatic com/company/LambdaTest.lambda$main$0:()V
  #25 ()V

inDy 所需要的數(shù)據(jù)大概就是這些，可參考 Java8學(xué)習(xí)筆記（2） -- InvokeDynamic指令 - CSDN博客

inDy 運(yùn)行時(shí)

每一個(gè) inDy 指令都稱為 Dynamic Call Site(動(dòng)態(tài)調(diào)用點(diǎn))，根據(jù) jvm 規(guī)范所說(shuō)的，inDy 可以分為兩步，這兩步部分代碼代碼是在 java 層的，給 metafactory 方法設(shè)斷點(diǎn)可以看到一些行為。

第一步 inDy 需要一個(gè) CallSite（調(diào)用點(diǎn)對(duì)象），CallSite 是由 BSM 返回的，所以這一步就是調(diào)用 BSM 方法。代碼可參考：java.lang.invoke.CallSite#makeSite

調(diào)用 BSM 方法可以看作 invokevirtual 指令執(zhí)行一個(gè) invoke 方法，方法簽名如下：

invoke:(MethodHandle,Lookup,String,MethodType,/*其他附加靜態(tài)參數(shù)*/)CallSite

前四個(gè)參數(shù)是固定的，被依次壓入操作棧里

MethodHandle，實(shí)際上這個(gè)方法句柄就是指向 BSM
Lookup, 也就是調(diào)用者，是 Indy 指令所在的類的上下文，可以通過(guò) Lookup#lookupClass()獲取這個(gè)類
name ，lambda 所實(shí)現(xiàn)的方法名，也就是"run"
invokedType，調(diào)用點(diǎn)的方法簽名，這里是 methodType(Runnable.class,String[].class)

接下來(lái)就是附加參數(shù)，這些參數(shù)是靈活的，由Bootstrap methods 表提供，這里分別是：

samMethodType，其實(shí)就是 Runnable.run 的描述符: methodType(void.class)。sam 就 single public abstract method 的縮寫(xiě)
implMethod: 編譯器給生成的 desugar 方法，是一個(gè) MethodHandle：caller.findStatic(LambdaTest.class,"lambda$main$0",methodType(void.class))
instantiatedMethodType: Runnable.run 運(yùn)行時(shí)的描述符，如果方法泛型的，那這個(gè)類型可能不一樣。這里是 methodType(void.class)

上面說(shuō)的固定其實(shí)應(yīng)該是指 inDy 傳遞的實(shí)參類型是固定的，BSM 形參聲明可以是隨意，保證 BSM 能被調(diào)用就行，比如說(shuō) Lookup 聲明為 Object 不影響調(diào)用。

接下來(lái)就是執(zhí)行 LambdaMetafactory.metafactory 方法了，它會(huì)創(chuàng)建一個(gè)匿名類，這個(gè)類是通過(guò) ASM 編織字節(jié)碼在內(nèi)存中生成的，然后直接通過(guò) unsafe 直接加載而不會(huì)寫(xiě)到文件里。不過(guò)可以通過(guò)下面的虛擬機(jī)參數(shù)讓它運(yùn)行的時(shí)候輸出到文件

-Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses=<path>

這個(gè)類是根據(jù) lambda 的特點(diǎn)生成的，輸出后可以看到，在這個(gè)例子中是這樣的：

import java.lang.invoke.LambdaForm.Hidden;

// $FF: synthetic class
final class LambdaTest$$Lambda$1 implements Runnable {
    private final String[] arg$1;

    private LambdaTest$$Lambda$1(String[] var1) {
        this.arg$1 = var1;
    }

    private static Runnable get$Lambda(String[] var0) {
        return new LambdaTest$$Lambda$1(var0);
    }

    @Hidden
    public void run() {
        LambdaTest.lambda$main$0(this.arg$1);
    }
}

然后就是創(chuàng)建一個(gè) CallSite，綁定一個(gè) MethodHandle，指向的方法其實(shí)就是生成的類中的靜態(tài)方法 LambdaTest$$Lambda$1.get$Lambda(String[])Runnable。然后把調(diào)用點(diǎn)對(duì)象返回，到這里 BSM 方法執(zhí)行完畢。

更詳細(xì)的可參考：

淺談Lambda Expression - 簡(jiǎn)書(shū)
[Java] 關(guān)于OpenJDK對(duì)Java 8 lambda表達(dá)式的運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)的查看方式 - 知乎專欄

第二步，就是執(zhí)行這個(gè)方法句柄了，這個(gè)過(guò)程就像 invokevirtual 指令執(zhí)行 MethodHandle#invokeExact 一樣，

加上 inDy 上面那一條 aload_0 指令，這是操作數(shù)棧有兩個(gè)分別是：

args[]，lambda 里面調(diào)用了 main 方法的參數(shù)
調(diào)用點(diǎn)對(duì)象（CallSite），實(shí)際上是方法句柄。如果是 CostantCallSite 的時(shí)候，inDy 會(huì)直接跟他的方法句柄鏈接。見(jiàn)代碼：MethodHandleNatives.java#L255

傳入 args，執(zhí)行方法，返回一個(gè) Runnable 對(duì)象，壓入棧頂。到這里 inDy 就執(zhí)行完畢。

接下來(lái)的指令就很好理解，astore_1 把棧頂?shù)?Runnable 對(duì)象放到局部變量表的槽位1，也是變量 r。剩下的就是再拿出來(lái)調(diào)用 run 方法。

Groovy

接下來(lái)看一下 groovy 是如何使用 inDy 指令的。先復(fù)習(xí)一遍 groovy 的方法派發(fā)。

每當(dāng) Groovy 調(diào)用一個(gè)方法時(shí)，它不會(huì)直接調(diào)用它，而是要求一個(gè)中間層來(lái)代替它。中間層通過(guò)鉤子方法允許我們更改方法調(diào)用的行為。這個(gè)中間層就是 MOP（meta object proctol），MOP 主要承載的類就是 MetaClass 。一個(gè)簡(jiǎn)化版的 MOP 主要有這些方法：

invokeMethod(String methodName, Object args)
methodMissing(String name, Object arguments)
getProperty(String propertyName)
setProperty(String propertyName, Object newValue)
propertyMissing(String name)

可以大致認(rèn)為在 Groovy 中的每個(gè)方法和屬性訪問(wèn)調(diào)用都會(huì)轉(zhuǎn)化上面的方法調(diào)用。而這些方法可以在運(yùn)行時(shí)通過(guò)重寫(xiě)修改它的默認(rèn)行為，MOP 作為方法派發(fā)的中心樞紐為 Groovy 提供了非常靈活的動(dòng)態(tài)編程的能力。

現(xiàn)在來(lái)看一下一段簡(jiǎn)短的 groovy 代碼，

class Test{
  int a = 0;
  static void main(args){
      Test wtf = new Test()
      wtf.a
      wtf.doSomething()
  }
}

通過(guò) groovyc -indy Test.groovy 把它編譯成字節(jié)碼。 indy 選項(xiàng)的意思就是啟用 invokedynamic 支持。

看一下編譯后的 main 方法。

public static void main(java.lang.String...);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_VARARGS
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=1
         0: ldc           #2                  // class Test
         2: invokedynamic #44,  0             // InvokeDynamic #0:init:(Ljava/lang/Class;)Ljava/lang/Object;
         7: invokedynamic #50,  0             // InvokeDynamic #1:cast:(Ljava/lang/Object;)LTest;
        12: astore_1
        13: aload_1
        14: pop
        15: aload_1
        16: invokedynamic #56,  0             // InvokeDynamic #2:getProperty:(LTest;)Ljava/lang/Object;
        21: pop
        22: aload_1
        23: invokedynamic #61,  0             // InvokeDynamic #3:invoke:(LTest;)Ljava/lang/Object;
        28: pop
        29: return

可以看到一共有 4 條 inDy 指令，包括構(gòu)造函數(shù)，訪問(wèn)成員變量，和不存在的方法調(diào)用都是通過(guò) invokedynamic 實(shí)現(xiàn)的。

再看一下引導(dǎo)方法表

BootstrapMethods:
  0: #38 invokestatic org/codehaus/groovy/vmplugin/v7/IndyInterface.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;I)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #39 <init>
      #40 0
  1: #38 invokestatic org/codehaus/groovy/vmplugin/v7/IndyInterface.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;I)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #46 ()
      #40 0
  2: #38 invokestatic org/codehaus/groovy/vmplugin/v7/IndyInterface.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;I)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #51 a
      #52 4
  3: #38 invokestatic org/codehaus/groovy/vmplugin/v7/IndyInterface.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;I)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #58 doSomething
      #40 0

可以發(fā)現(xiàn)所有 inDy 指令的引導(dǎo)方法都是 IndyInterface.bootstrap

以方法調(diào)用的 inDy 指令為例，它的方法名稱是 "invoke"，方法簽名是 methodType(Object.class,Test.class)，BSM 方法還附帶兩個(gè)參數(shù)分別是實(shí)際的方法名："doSomething" 和一個(gè)標(biāo)志：0

BSM 方法最終調(diào)用的是 realBootstrap 方法：

private static CallSite realBootstrap(Lookup caller, String name, int callID, MethodType type, boolean safe, boolean thisCall, boolean spreadCall) {
    MutableCallSite mc = new MutableCallSite(type); //這里是 MutableCallSite，lambda 表達(dá)式用的是 ConstantCallSite
    MethodHandle mh = makeFallBack(mc,caller.lookupClass(),name,callID,type,safe,thisCall,spreadCall);
    mc.setTarget(mh);
    return mc;
}

主要的代碼是調(diào)用 makeFallBack 來(lái)獲取一個(gè)臨時(shí)的 MethodHandle。因?yàn)樵诘谝徊?groovy 無(wú)法確定接收者（receiver），也是就是 invoke 方法的第一個(gè)實(shí)參（Test 實(shí)例），必須要在第二步確定 CallSite 后才會(huì)傳遞過(guò)來(lái)。所以方法解析要放在第二步。

protected static MethodHandle makeFallBack(MutableCallSite mc, Class<?> sender, String name, int callID, MethodType type, boolean safeNavigation, boolean thisCall, boolean spreadCall) {
    MethodHandle mh = MethodHandles.insertArguments(SELECT_METHOD, 0, mc, sender, name, callID, safeNavigation, thisCall, spreadCall, /*dummy receiver:*/ 1); //MethodHandle(Object.class,Object[].class)
    mh =    mh.asCollector(Object[].class, type.parameterCount()).
            asType(type);
    return mh;
}

這個(gè) fallback 方法其實(shí)就是 selectMethod。insertArguments 在這里主要做了一個(gè)柯里化的操作，因?yàn)?code>selectMethod 的方法簽名是

methodType(Object.class, MutableCallSite.class, Class.class, String.class, int.class, Boolean.class, Boolean.class, Boolean.class, Object.class, Object[].class)

而 inDy 要求的方法簽名卻是

methodType(Object.class,Test.class)。

所以得經(jīng)過(guò) insertArguments 的變換，把確定的值填充進(jìn)去，用最后的數(shù)組參數(shù)來(lái)接收 inDy 傳遞的參數(shù)。這樣這個(gè)方法就能夠被 inDy 調(diào)用了。第一步創(chuàng)建 CallSite 到這里就結(jié)束。

第二步，就是 selectMethod 方法的調(diào)用，這時(shí)候 groovy 已經(jīng)知道方法的接收者 arguments[0]，

public static Object selectMethod(MutableCallSite callSite, Class sender, String methodName, int callID, Boolean safeNavigation, Boolean thisCall, Boolean spreadCall, Object dummyReceiver, Object[] arguments) throws Throwable {
    Selector selector = Selector.getSelector(callSite, sender, methodName, callID, safeNavigation, thisCall, spreadCall, arguments); 
    selector.setCallSiteTarget();

    MethodHandle call = selector.handle.asSpreader(Object[].class, arguments.length);
    call = call.asType(MethodType.methodType(Object.class,Object[].class));
    return call.invokeExact(arguments);
}

首先創(chuàng)建一個(gè)方法解析器，在這里是 MethodSelector。接著調(diào)用 setCallSiteTarget()，這個(gè)方法就是用來(lái)解析實(shí)際的方法。具體的過(guò)程還是很復(fù)雜的，所以也沒(méi)法說(shuō)清楚，大體來(lái)說(shuō)就是確定接收者的 MetaClass，決定這個(gè)方法是實(shí)際的方法，還是交給 MetaClass 的鉤子方法，然后就是創(chuàng)建這個(gè)方法的 MethodHandle，然后把這個(gè) MethodHandle 的簽名轉(zhuǎn)化為要求的簽名。這時(shí) selecor.handle 就是最終調(diào)用的方法句柄了。接下來(lái)就是最終的方法調(diào)用了，到這里 inDy 指令就執(zhí)行完畢了。

還有一個(gè)方法值得留意：

public void doCallSiteTargetSet() {
    if (!cache) {
        if (LOG_ENABLED) LOG.info("call site stays uncached");
    } else {
        callSite.setTarget(handle);
        if (LOG_ENABLED) LOG.info("call site target set, preparing outside invocation");
    }
}

這也是為什么用 MutableCallSite 的原因，如果編譯器認(rèn)為這個(gè)方法是可以緩存，那么就會(huì)把這個(gè) CallSite 綁定到實(shí)際的 MethodHandle，后續(xù)的調(diào)用就不用再重新解析了。

最后

沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，inDy 還是很不好理解的，學(xué)習(xí)了 java 8 和 groovy 對(duì) inDy 的應(yīng)用才有一點(diǎn)大致的認(rèn)識(shí)，文中如果有什么錯(cuò)誤，還請(qǐng)幫忙指出。

原文鏈接：https://dourok.info/2017/10/08/understanding-invokedynamic/

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理解 invokedynamic

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Groovy

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