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内存变化和深入理解系列之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》