探秘Java 7：JVM動態(tài)語言支持詳解

作者：司馬牽牛編譯 2009-07-27 10:08:48

Java 7中最引人注目的新功能之一就是對動態(tài)語言的支持。JVM的動態(tài)語言支持基于JSR 292，這一支持的關(guān)鍵在于增加了新的 Java 字節(jié)碼，invokedynamic。本文詳細(xì)介紹了動態(tài)語言支持的情況。

51CTO推薦專題：Java 7，下一代Java開發(fā)平臺詳解

【51CTO精選譯文】JDK 7 增加了對 JSR 292 的支持，在 JVM 中動態(tài)類型語言的運(yùn)行速度將變得更快。這一支持的關(guān)鍵在于增加了新的 Java 字節(jié)碼，invokedynamic，它用于方法調(diào)用，還有新的連接機(jī)制，其中包含了一個新的構(gòu)造：方法句柄（method handle）。此次JDK 7在動態(tài)語言支持上的更新是Java平臺發(fā)展的重要趨勢之一，在今年6月的JavaOne大會上，這些基于Java平臺的動態(tài)語言也十分的活躍。詳情可參考51CTO之前對JavaOne 2009的報導(dǎo)。

動態(tài)類型語言和 JVM

JVM 可以執(zhí)行 Java 程序，將其編譯機(jī)器獨(dú)立的字節(jié)碼。事實(shí)上，任何可以使用有效 class 文件表述的功能性語言，都可以運(yùn)行在 JVM 上。

多年來，運(yùn)作在 JVM 上語言一直在增加，從 Armed Bear for Common Lisp 到Y(jié)oix。動態(tài)語言的 JVM 實(shí)現(xiàn)也越來越多，比如 JRuby 和 Jython，以及 Groovy 腳本語言。

動態(tài)語言的靈活性，尤其是腳本語言，對于實(shí)驗(yàn)性、原型應(yīng)用程序以及需頻繁更新的程序，都具有獨(dú)特的吸引力。這種靈活性源自動態(tài)類型。動態(tài)類型語言中運(yùn)行時（runtime）驗(yàn)證程序中的值是否與預(yù)期類型一致，相對的，靜態(tài)類型語言，如 Java，是在編譯期間檢查變量類型，而不是值類型。值得一提的是，Java 平臺上另一個前景很被看好的靜態(tài)語言就是Scala：包括Java之父和Groovy創(chuàng)始人在內(nèi)的很多開發(fā)者都很看好Scala這個強(qiáng)類型的、可擴(kuò)展性良好的靜態(tài)語言。

通常，動態(tài)類型比靜態(tài)類型更具靈活性，因?yàn)榍罢咴试S程序根據(jù)運(yùn)行時的數(shù)據(jù)生成類型。不過靜態(tài)類型語言的執(zhí)行更為高效，因?yàn)樗軌蛟诰幾g期間排除錯誤。

動態(tài)類型固有的靈活性與 JVM 的執(zhí)行效率，合二為一。很明顯，這就是它能夠吸引動態(tài)編程語言創(chuàng)建者以及使用這些語言構(gòu)建應(yīng)用程序的開發(fā)者的原因。

JSR 223 動態(tài)語言支持的***步

JSR 223: Scripting for the Java Platform 是將動態(tài)語言引入 JVM 的***步，它是一個規(guī)范，定義了從動態(tài)腳本語言代碼訪問 Java 代碼的 API 接口。它還指定了一個 framework 框架，用戶在 Java 應(yīng)用程序中運(yùn)行腳本引擎。該規(guī)范及其實(shí)現(xiàn)使得包含 Java 和腳本代碼的應(yīng)用程序的創(chuàng)建更為容易。

動態(tài)類型語言的問題

為運(yùn)行在 JVM 上的動態(tài)類型語言開發(fā)引擎，必須滿足 JVM 所執(zhí)行的 Java 字節(jié)碼的要求，而字節(jié)碼專為靜態(tài)類型語言設(shè)計。對于引擎開發(fā)者，當(dāng)生成字節(jié)碼用于方法調(diào)用，這種設(shè)計一直都是棘手的難點(diǎn)。

方法調(diào)用的字節(jié)碼要求

靜態(tài)類型語言中編譯時進(jìn)行類型檢查，意味著方法調(diào)用，以及它生成的字節(jié)碼，需要知道該方法返回的值類型，以及調(diào)用中指定的參數(shù)類型。

下面為一段 Java 代碼：

String s = "Hello World";   
System.out.println(s);

這里參數(shù)類型是已知的。System.out.println()并不返回值，如果方法返回值，需要指定返回值的類型。

以上代碼相應(yīng)的字節(jié)碼如下：

ldc #2   
astore_1   
getstatic #3   
aload_1 invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V

JVM 中字節(jié)碼的執(zhí)行通常包含對操作對象棧（operand stack）中值的操作。操作棧是一個相當(dāng)于硬件寄存器的虛擬機(jī)。通常，字節(jié)碼會指示 JVM 局部值壓入操作對象棧，將值從棧中取出放進(jìn)局部變量中，復(fù)制或交換棧中的值，或者執(zhí)行生成或使用值的操作。

請看 invokevirtual 一行，它調(diào)用了一個方法，而不是對操作對象棧進(jìn)行操作。從該行注釋，我們可以看到，它指出了以下信息：

◆提供方法的接收器（receiver）類：java.io.PrintStream
◆方法名稱：println
◆方法參數(shù)類型：(I) 表示 Integer
◆方法返回值： V 表示 void

這些信息相當(dāng)于方法的簽名。JVM 查找具有該簽名的方法，在這里，就是 java.io.PrintStream 類中的 println:(I)V。如果該方法不在那個類中，JVM 將在類的子類中繼續(xù)查找。

滿足要求所進(jìn)行的拙劣嘗試

為了讓動態(tài)類型語言滿足字節(jié)碼對方法調(diào)用的要求，已經(jīng)有了多種嘗試，但沒有一種是理想的。

以下面的代碼為例：

function max (x,y) {  
  if x.lessThan(y) then y else x   
 }

接收器和參數(shù)都沒有指定類型，而對于動態(tài)類型語言，直到運(yùn)行時才提供類型信息，因此，以上代碼未能滿足方法調(diào)用需提前獲悉類型的要求，也就不能在 Java 平臺上成功地編譯為字節(jié)碼。

問題的解決方法之一是為返回值和方法參數(shù)創(chuàng)建虛假的（synthetic）Java 類型。在這里，虛假表示非真實(shí)存在。例如，動態(tài)類型語言在實(shí)現(xiàn)是可能將代碼更改為：

Interface50 function max (Interface 51 x,Interface52 y) {  
 if x.lessThan(y) then y else x   
 }

類型 Interface 51 和 Interface52 并不存在，只是為了滿足相應(yīng)的要求而指定。

另一種方法成為映射調(diào)用（relfected invocation），使用 java.lang.reflect.Method 對象調(diào)用方法，而避開直接調(diào)用方法。這樣也就繞開了指定類型的要求。

第三種方法是為動態(tài)語言的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建一個獨(dú)特的方法調(diào)用解釋器（interpreter），以運(yùn)行在 JVM 上。

虛假類型滿足了 Java 字節(jié)碼的要求。但這種方法不但繁復(fù)而且會帶來問題。如果動態(tài)語言引擎需要更改，相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)器（implementer）必須重新創(chuàng)建虛假 Java 類型，這種操作常會出錯。

運(yùn)行調(diào)用也有其自身的局限。例如，java.lang.reflect.Method 對象提供了動態(tài)語言所需的方法訪問，但對象必須是運(yùn)行時可用的特定 Java 類型。雖然，動態(tài)語言可以在運(yùn)行期間提供類型信息，但不是都可以通過用戶映射的規(guī)范 Java 類型。

JSR 292 —— 動態(tài)語言支持的下一步

JSR 292 為 JVM 引入了一個新的 Java 字節(jié)碼指令，invokedynamic，以及一個新的方法連接機(jī)制。

方法調(diào)用的字節(jié)碼指令

Java 虛擬機(jī)規(guī)范指定了 4 個字節(jié)碼，用于方法調(diào)用：

◆invokevirtual
◆invokeinterface
◆invokestatic
◆invokespecial

新的 invokedynamic 指令

新的 invokedynamic 字節(jié)碼指令的語法與 invokeinterface 指令類似：

invokedynamic < method-specification> < n>

但，它的 < method-specification> 只需指定方法名稱，對描述符的***要求是它應(yīng)引用非空對象。

invokeinterface 字節(jié)碼指令差不多是這樣的：

invokedynamic #10; 
//DynamicMethod java/lang/Object.lessThan:(Ljava/lang/Object;)

重要的是，invokedynamic 字節(jié)碼指令運(yùn)行動態(tài)語言的實(shí)現(xiàn)器（implementer）將方法調(diào)用編譯為字節(jié)碼，而不必指定目標(biāo)的類型，該目標(biāo)包含了方法、調(diào)用的返回類型或方法參數(shù)類型。這些類型對于執(zhí)行指令的 JVM 不必是已知的。但如果未提供接收器的類型，JVM 如何找到該方法？畢竟，JVM 需要連接并調(diào)用真實(shí)類型上的真實(shí)方法。答案在于，JSR 292 還包含了一個新的動態(tài)類型語言的連接機(jī)制。JVM 使用新的連接機(jī)制獲取所需的方法。

新的動態(tài)連接機(jī)制：方法句柄（method handle）

JDK 7 包含了新包，java.dyn，其中包含了與在 Java 平臺中動態(tài)語言支持相關(guān)的類。其中一個類為 MethodHandle。方法句柄是類型 java.dyn.MethodHandle 的一個簡單對象，該對象包含一個 JVM 方法的匿名引用。

新連接機(jī)制還包含一個引導(dǎo)方法（bootstrap 方法），它是一個方法句柄，決定了調(diào)用現(xiàn)場（call site）調(diào)用的目標(biāo)方法。調(diào)用現(xiàn)場是調(diào)用指令的實(shí)例，在本節(jié)中，它就是 invokedynamic 字節(jié)碼指令的實(shí)例。包含 invokedynamic 指令的每個類都必須指定引導(dǎo)方法。

JVM ***次遇到具有接收器和參數(shù)的 invokedynamic 字節(jié)碼時，它調(diào)用引導(dǎo)方法。調(diào)用語言支持的方法，可以使用術(shù)語 up-call 來描述。

引導(dǎo)方法反過來選擇相應(yīng)的目標(biāo)方法句柄。然后 JVM 將該方法句柄引用的方法與 invokedynamic 字節(jié)碼關(guān)聯(lián)起來。JVM 下次遇到具有相同接收器和參數(shù)的 invokedynamic 字節(jié)碼時，它將立即調(diào)用之前所選的方法。

方法句柄相當(dāng)簡單，僅包含一個描述特定類型的類型令牌（type toke）。此外，方法句柄隱式地包含一個與其關(guān)聯(lián)的 invoke 方法。要調(diào)用方法句柄，你需要調(diào)用它的 invoke 方法，與調(diào)用對象方法類似，即 MethodHandle.invoke(...)。由于每個方法句柄都具有其自身的類型，因此，它只接受那個類型的 invoke 調(diào)用。如果調(diào)用的類型與方法句柄的類型不匹配，方法句柄將返回異常。

方法句柄

總之，方法句柄提供了一種連接機(jī)制，它能夠讓 JVM 根據(jù) invokedynamic 字節(jié)碼指令調(diào)用正確的方法。但 JVM 遇到 invokedynamic 字節(jié)碼時，它將使用方法句柄獲得所需的方法。請注意，相對于映射調(diào)用，方法句柄提供了一種更好的方式，來滿足方法調(diào)用的字節(jié)碼要求。相較而言，方法句柄提供了一種命名和連接方法的方式，而無需考慮方法類型或位置，而且這種方式具有完善的類型安全和本地的執(zhí)行速度。

通過接口注入（interface injection）在運(yùn)行時修改類

接口注入能夠在運(yùn)行時修改類，這樣類就可以構(gòu)建新的接口。對于動態(tài)類型語言，尤其是基本語言，這是一個常見的功能。但它不屬于 JVM 標(biāo)準(zhǔn)的一部分。該功能還處于調(diào)研階段，以便加入 JSR 292 中。

在 JVM 中支持接口注入，運(yùn)行時語言將可以推薦新的功能，以模塊化的方式供其自身使用。例如，假設(shè) JVM 在運(yùn)行的語言的類或類集合需要串行化的類型，而它尚未在該語言實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行時該語言可以定義一個串行定義為可注入的接口。它還可以定義一個注入方法。該方法定義該語言將為哪個類指定新的串行能力。對相關(guān)對象調(diào)用該注入方法，就可以完成注入。利用接口注入，可以使 JVM 中的動態(tài)類型語言很方便地與 JVM 中其他語言進(jìn)行整合。

總結(jié)

多年來，在 JVM 上運(yùn)行的語言越來越多。在 JVM 中支持動態(tài)類型語言，對于使用動態(tài)語言的開發(fā)者非常具有吸引力。因?yàn)椋瑒討B(tài)類型讓開發(fā)者更具靈活性，而且 JVM 具有更好的執(zhí)行效率。但是，對于動態(tài)類型語言，滿足方法調(diào)用的字節(jié)碼的要求非常困難。為了應(yīng)對這一難題，JSR 292 提供了新的字節(jié)碼 invokedynamic 以及新的基于方法句柄的連接機(jī)制。此外，目前還在進(jìn)行調(diào)研在 JSR 292 中引入接口注入，它能夠在運(yùn)行修改類，從而可以實(shí)現(xiàn)新的接口。

原文：New JDK 7 Feature: Support for Dynamically Typed Languages in the Java Virtual Machine

作者：Ed Ort

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