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目录
- 前言
- 方法句柄的概念
- 方法句柄的操作
- 方法句柄的实现
- 简单小结
前言
在 Java 中，方法调用会被编译为 invokestatic、invokespecial、invokevirtual 以及 invokeinterface 四种指令。这些指令与包含目标方法类名、方法名以及方法描述符的符号引用捆绑。在实际运行之前，Java 虚拟机将根据这个符号引用链接到具体的目标方法。
可以看到，这四种指令中，Java 虚拟机明确要求方法调用需要提供目标方法的类名。在这种体系下，我们有两种解决方案，一是提供其类似代理的办法，另外一种则是使用反射。
显然，比起直接调用，这两种方法都相当复杂，执行效率也可想而知。为了解决这个问题，Java 7 引入了一条新的指令 invokedynamic。该指令的调用机制抽象出调用点这一概念，并允许应用程序将调用点链接至任意符合条件的方法上。
作为 invokedynamic 的准备工作，Java 7 引入了更加底层、更加灵活的方法抽象：方法句柄（MethodHandle）。
方法句柄的概念
方法句柄是一个强类型的，能够被直接执行的引用。该引用可以指向常规的静态方法或者实例方法，也可以指向构造器或者字段。当指向字段时，方法句柄实则指向包含字段访问字节码的虚构方法，语义上等价于目标字段的 getter 或者 setter 方法。
这里需要注意的是，它并不会直接指向目标字段所在类的 getter/setter，毕竟你无法保证已有的 getter/setter 方法就是在访问目标字段。
方法句柄的类型（MethodType）是由所指向方法的参数类型以及返回类型组成的。它是用来确认方法句柄是否适配的唯一关键。当使用方法句柄时，我们其实并不关心方法句柄所指向方法的类名或者方法名。
方法句柄的创建是通过 MethodHandles.Lookup 类来完成的。它提供了多个 API，既可以使用反射 API 中的 Method 来查找，也可以根据类、方法名以及方法句柄类型来查找。
当使用后者这种查找方法时，用户需要区分具体的调用类型，比如说对于 invokestatic 调用的静态方法，我们需要使用 Lookup.findStatic 方法；对于用 invokevirtual 调用的实例方法以及用 invokeinterface 调用的接口方法，我们需要使用 findVirtual 方法；对于用 invokespecial 调用的实例方法，我们则需要使用 findSpecial 方法。
调用方法句柄，和原本对应的调用指令是一致的。也就是说，对于原本用 invokevirtual 调用的方法句柄，它也会采用动态绑定；而对于原本用 invokespecial 调用的方法句柄，它会采用静态绑定。
public class Main {
private void show(String s) {
System.out.println(s);
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
// 第一种方式
MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();
Method method = Main.class.getDeclaredMethod("show", String.class);
MethodHandle mH1 = lookup.unreflect(method);
mH1.invoke(new Main(), "23333");
// 第二种方式
MethodType methodType = MethodType.methodType(void.class, String.class);
MethodHandle mH2 = lookup.findSpecial(Main.class, "show", methodType, Main.class);
mH2.invoke(new Main(), "23333");
}
}
方法句柄同样也有权限问题，但它与反射 API 不同，其权限检查是在句柄的创建阶段完成的。在实际调用过程中，Java 虚拟机并不会检查方法句柄的权限。如果该句柄被多次调用的话，那么与反射调用相比，它将省下重复权限检查的开销。
需要注意的是，方法句柄的访问权限不取决于方法句柄的创建位置，而是取决于 Lookup 对象的创建位置。
举个例子，对于一个私有字段，如果 Lookup 对象是在私有字段所在类中获取的，那么这个 Lookup 对象便拥有对该私有字段的访问权限，即时是在所在类的外边，也能够通过该 Lookup 对象创建该私有字段的 getter 或者 setter。
由于方法句柄没有运行时权限检查，因此，应用程序需要负责方法句柄的管理。一旦它发布了某些指向私有方法的方法句柄，那么这些私有方法便被暴露出去了。
方法句柄的操作
方法句柄的调用可分为两种，一种需要严格匹配参数类型的 invokeExact。它有多严格呢？假设一个方法句柄将接收一个 Object 类型的参数，如果你直接传入 String 作为实际参数，那么方法句柄的调用会在运行时抛出方法类型不匹配的异常。正确的调用方式是将该 String 显式转化为 Object 类型。
在普通 Java 方法调用中，我们只有在选择重载方法时，才会用到这种显式转化。这是因为经过显式转化后，参数的声明类型发生了改变，因此有可能匹配到不同的方法描述符，从而选取不同的目标方法。调用方法句柄也是利用同样的原理，并且涉及了一个签名多态性的概念、
public final native @PolymorphicSignature Object invokeExact(Object... args) throws Throwable;
方法句柄 API 有一个特殊的注解类 @PolymorphicSignature。在碰到被它注解的方法调用时，Java 编译器会根据所传入参数的声明类型来生成方法描述符，而不是采用目标方法所声明的描述符。
在刚才的例子中，当传入的参数是 String 时，对应的方法描述符包含 String 类；而当我们转化为 Object 时，对应的方法描述符则包含 Object 类。
invokeExact 会确认该 invokevirtual 指令对应的方法描述符，和该方法句柄的类型是否严格匹配。在不匹配的情况下，便会在运行时抛出异常。
如果你需要自动适配参数类型，那么你可以选取方法句柄的第二种调用方式 invoke。它同样是一个签名多态性的方法。invoke 会调用 MethodHandle.asType 方法，生成一个适配器方法句柄，对传入的参数进行适配，在调用原方法句柄。调用原方法句柄的返回值同样也会先进行适配，然后再返回给调用者。
方法句柄还支持增删改参数的操作，这些操作都是通过生成另外一个方法句柄来实现的。这其中，改操作就是刚刚介绍的 MethodHandle.asType 方法。删操作指的是将传入的部分参数就地抛弃，再调用另一个方法句柄，它对应的 API 是 MethodHandles.dropArguments 方法。
增操作则非常有意思，它会往传入的参数中插入额外的参数，再调用另一个方法句柄，它对应的 API 是 MethodHandle.bindTo 方法。Java 8 中捕获类型的 Lambda 表达式便是用这种操作来实现的。
方法句柄的实现
下面我们来看看 HotSpot 虚拟机中方法句柄调用的具体实现。（由于篇幅原因，这里只讨论 DirectMethodHandle）。
前面提到，调用方法句柄所使用的 invokeExact 或者 invoke 方法具备签名多态性的特性。它们会根据具体的传入参数来生成方法描述符。那么，拥有这个描述符的方法实际存在吗？对 invokeExact 或者 invoke 的调用具体会进入哪个方法呢？
public class Main {
private void show(String s) {
new Exception().printStackTrace();
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
MethodType methodType = MethodType.methodType(void.class, String.class);
MethodHandle mH2 = MethodHandles.lookup().findSpecial(Main.class, "show", methodType, Main.class);
mH2.invokeExact(new Main(), "23333");
}
}
和查阅反射调用的方式一样，我们可以通过新建异常实例来查看栈轨迹。打印出来的栈轨迹如下：
java.lang.Exception
at Main.show(Main.java:9)
at Main.main(Main.java:15)
也就是说，invokeExact 的目标方法就是方法句柄指向的方法。
先别高兴的太早。我们刚刚提过，invokeExact 会对参数的类型进行效验，并在不匹配的情况下抛出异常。如果它直接调用了方法句柄所指向的方法，那么这部分参数类型效验的逻辑将无处安放。因此，唯一的可能就是 Java 虚拟机隐藏了部分栈信息。
当我们启用了 -XX:+showHiddenFrames 这个参数来打印被 Java 虚拟机隐藏了的栈信息时，你会发现 main 方法和目标方法中间隔着两个貌似是生成的方法。
java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+ShowHiddenFrames Main
java.lang.Exception
at Main.show(Main.java:9)
at java.base/java.lang.invoke.DirectMethodHandle$Holder.invokeSpecial(DirectMethodHandle$Holder:1000011)
at java.base/java.lang.invoke.LambdaForm$MH/0x0000000800060c40.invokeExact_MT(LambdaForm$MH:1000020)
at Main.main(Main.java:15)
实际上，Java 虚拟机会对 invokeExact 调用做特殊处理，调用至一个共享的、与方法句柄类型相关的特殊适配器中。这个适配器是一个 LambdaForm，在这个适配器中，它会调用 Invokes.checkExactType 方法来检查参数类型，然后调用 Invokes.checkCustomized 方法。后者会在方法句柄的执行次数超过一个阈值时进行优化。最后，它会调用方法句柄的 invokeBasic 方法。
//...
方法句柄的调用和反射调用一样，都是间接调用。因此，它也会面临无法内联的问题。不过，与反射调用不同的是，方法句柄的内联瓶颈在于即时编译器能否将该方法句柄识别为常量。
简单小结
invokedynamic 底层机制的基石：方法句柄。
方法句柄是一个强类型、能够被直接执行的引用。它仅关心所指向方法的参数类型以及返回类型，而不关心方法所在类以及方法名。方法句柄的权限检查发生在创建过程中，相较于反射调用节省了调用时反复权限检查的开销。
方法句柄可以通过 invokeExact 以及 invoke 来调用。其中，invokeExact 要求传入的参数和所指向方法的描述符严格匹配。方法句柄还支持增删改参数的操作，这些操作是通过生成另一个充当适配器的方法句柄来实现的。
方法句柄的调用和反射调用一样，都是间接调用，同样会面临无法内联的问题。