Interfejs w JVMie – niskopoziomowo

Standardowym pytaniem rekrutacyjnym jest: czym się różni interfejs od klasy abstrakcyjnej w Javie. O ile większość odpowiedzi zaczyna się od strony specyfikacji, o tyle w tym wpisie podejdę od strony implementacji.

Bytecode

Standardowo zaczniemy od spojrzenia w bytecode. Najpierw podejrzymy co siedzi w abstrakcyjnej klasie:

public abstract class AbstractClass {
    public abstract int doSth(int a);
    public int defaultDoSth(int a) {
        return doSth(a);
    }
}

Następnie podejrzymy analogiczny do niej interfejs:

public interface Interface {
    int doSth(int a);
    default int defaultDoSth(int a) {
        return doSth(a);
    }
}

Porównując obydwa twory zaczniemy od stwierdzenia banału, że po skompilowaniu otrzymujemy pliki z rozszerzeniem .class Gdzie zatem jest trzymana informacja o tym, że jedno jest interfejsem a drugie klasą? Na to pytanie odpowiada listing wywołania na tych plikachjavap -v -p.

A w nim zauważymy, że klasa abstrakcyjna posiada flagi flags: (0x0421) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER, ACC_ABSTRACT, gdy interfejs posiada flagi flags: (0x0601) ACC_PUBLIC, ACC_INTERFACE, ACC_ABSTRACT.
Zatem o byciu interfejsem świadczy dodatkowa flaga ACC_INTERFACE.
Flaga ACC_SUPERw klasie abstrakcyjnej jest aktualnie nadmiarowa i istnieje tylko w celu wstecznej kompatybilności.

Drugą różnicą, którą zauważyć porównując bytecode obu plików .class jest obecność konstruktora w klasie abstrakcyjnej. Jak wiemy, jeśli jawnie nie stworzymy konstruktora w kodzie źródłowym, kompilator wygeneruje nam domyślny konstruktor danej klasy.

Trzecią różnicą dość oczywistą, aczkolwiek niewidoczną w tym porównaniu jest to, że klasa w przeciwieństwie do interfejsu może posiadać pola.

Ostatnią różnicę, którą dokładniej opiszę jest różnica w implementacji metody defaultDoSth(int).

Dla klasy abstrakcyjnej bytecode wygląda następująco:

 public int defaultDoSth(int);
    descriptor: (I)I
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: iload_1
         2: invokevirtual #2                  // Method doSth:(I)I
         5: ireturn
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       6     0  this   Ldev/jgardo/jvm/miscellaneous/interfaces/AbstractClass;
            0       6     1     a   I
}

Domyślna metoda interfejsu Interface defaultDoSth(int) zdekomilowana wygląda tak:

  public int defaultDoSth(int);
    descriptor: (I)I
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: iload_1
         2: invokeinterface #1,  2            // InterfaceMethod doSth:(I)I
         7: ireturn
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       8     0  this   Ldev/jgardo/jvm/miscellaneous/interfaces/Interface;
            0       8     1     a   I
}

W implementacji metody defaultDoSth(int) w przypadku klasy abstrakcyjnej widzimy instrukcję kodu bajtowego invokevirtual, a za nią parametr, w którym jest wskazywana metoda, którą chcemy wywołać.
W przypadku interfejsu zauważymy invokeinterface z dwoma parametrami.
A jakie są różnice między nimi? Czy były konieczne dwa różne kody operacji?

Invoke(…)

Ogólnie mówiąc, wywoływanie metod można wykonać za pomocą jednego z 5 różnych instrukcji kodu bajtowego (w zależności od kontekstu):

  • invokestatic – używamy go za każdym razem, kiedy wywołujemy metodę statyczną, czyli taką, w której nie potrzebujemy przekazywać wskaźnika na obiekt z którego jest ona wywoływana (nie ma przykazywanego w żaden sposób obiektu this).
  • invokespecial – tej instrukcji używamy, kiedy chcemy wywołać konkretną metodę danego obiektu. Nie zastanawiamy się, czy ta metoda jest nadpisana w klasie dziedziczącej, lecz wskazujemy dokładną metodę. Przykładem jest wywoływanie metody prywatnej, metody z nadklasy lub konstruktora. Przekazujemy niejawnie this jako pierwszy parametr metody.
  • invokedynamic – ta instrukcja jest raczej niedostępna w Javie i rzadko spotkana (oprócz lambd). Kluczowe jest w niej to, że generalnie na etapie kompilacji nie wiemy, co chcemy wywołać 😉 Na etapie kompilacji jedynie wskazujemy, kto może wiedzieć, co chcemy wywołać.
    Trochę poruszam temat we wpisie o lambdach.
  • invokevirtual – w tym przypadku mamy do czynienia z wywołaniami metod publicznych, chronionych i prywatnych w ramach pakiety (generalnie nieprywatnych). Na etapie kompilacji przeważnie nie wiemy, czy wywołujemy metodę z danej klasy, czy klasy po niej dziedziczącej (ze względu na polimorfizm). W runtime‚ie JVM ewaluuje, jaką metodę wykonać.
    W tej operacji równierz przemycamy this. Argumentem tego kodu bajtowego jest indeks metody, którą wywołujemy.
  • invokeinteface – bardzo podobna instrukcja do invokevirtual z tą różnicą, że nie znamy nawet klasy, której metodę wywołujemy. W tym przypadku jednak mamy dwa argumenty tego kodu bajtowego – pierwszym jest jawne przekazanie uchwytu („wskaźnika”) do interfejsu, którego metodę chcemy wywołać, a drugim – indeks tej metody w danym interfejsie.

Różnice między invokevirtual a invokeinterface

Jak wywnioskować, którą metodę należy wykonać?
Najprościej byłoby sprawdzić klasę (wskaźnik na klasę jest w każdym obiekcie w jego nagłówku), której metodę chcemy wywołać i poszukać, czy istnieje implementacja poszukiwanej metody. Jeśli nie ma jej w tej klasie, szukamy jej w nadklasie. Jeśli i w niej nie ma, szukamy dalej w zwyż w hierarchii.

Jednak takie podejście jest mało efektywne. Mogłoby się zdarzyć, że wielokrotnie obliczamy to samo wywołując wciąż tę samą metodę. Zatem lepiej by było na etapie ładowania klasy obliczyć od razu, jaką dokładnie metodę trzeba wykonać dla każdej dostępnej metody. Wynik takich obliczeń można składować w metadanych danej klasy.
I właśnie taka tablica, która przechowuje dla każdej metody wskaźnik do kodu, jest nazywana vtable. Zatem za każdym razem, gdy używamy invokevirtual, najpierw sprawdzamy klasę obiektu, następnie odczytujemy z klasy adres do pola z tablicą vtable, a następnie uruchamiamy kod znaleziony pod indeksem danej metody (indeks ten jest podany w argumencie invokevirtual).

Warto tutaj nadmienić, że indeksy metod dla danej hierarchii klas są takie same, tzn. jeśli jakaś klasa miała tablicę vtable, to każda jej podklasa będzie miała wszystkie jej metody z nadklasy w dokładnie tej samej kolejności, a ewentualne dodatkowe metody specyficzne dla podklasy będą znajdować się na końcu tabeli. Zatem jeden argument z indeksem metody wystarczy do precyzyjnego określenia metody, gdyż indeks metody w danej hierarchii klas jest stały.

Nieco inna sytuacja jest w przypadku invokeinterface. Jeśli klasa implementuje interfejs, to metody go implementujące mogą być w vtable w różnej kolejności. Zatem dla interfejsu potrzebujemy analogicznej struktury zwanej itable. Kolejność metod jest specyficzna dla danego interfejsu.
„Niestety” klasy mogą implementować wiele interfejsów, dlatego każda klasa posiada tablicę tablic itable. Skoro jest wiele itable, to trzeba je rozróżniać, stąd konieczność przekazywania wraz z kodem invokeinterface argumentu w postaci odniesienia do interfejsu, jak i metody.
Pewną konsekwencją możliwości implementacji wielu interfejsów jest to, że żeby znaleźć odpowiednią itable trzeba przeiterować po tablicy tablic itable, co jest mało wydajne.

Jeśli ten opis jest zbyt mglisty, warto zajrzeć pod ten pomocny w zrozumieniu link.

A to tylko początek

Można na ten temat jeszcze wiele pisać. Póki co jednak zostawiam garść linków omawiających tematy wokół. Dotyczą one przede wszystkim:

  • optymalizacji invokeinterface/invokevirtual.
    Należy wspomnieć, że znaczna większość interfejsów/klas posiada tylko jedną klasę implementującą lub jedną podklasę. Można się wówczas pokusić o optymalizację i skuteczne inline’owanie.
    Słowa klucze dla tego tematu to: monomorphic, bimorphic, megamorphic.
    Osobiście polecam wpis Aleksey’a Shipilev’a oraz Richarda Warburtona
  • opisu wywołań wirtualnych/interfejsu prosto ze strony OpenJDK
  • porównania wywołań wirtualnych w różnych językach
  • wydajności obu wywołań oraz o bugu, który nie pozwala inline’ować jedynej implementacji interfejsu

A na razie to by było ode mnie na tyle. Jeśli chcecie sami coś po kombinować z interfejsami źródła moich eksperymentów są na githubie. Dajcie znać w komentarzach, co o tym wszystkim myślicie 😉

Oceń wpis

Autor: jgardo

Programista Java od 2013 roku. Interesuje się niskopoziomową Javą, ekosystemem Jvm i jego wydajnością. Co jednak nie przeszkadza w przywiązywaniu uwagi do czystości kodu w życiu codziennym ;) Pracuje w PayU.

Jedna myśl w temacie “Interfejs w JVMie – niskopoziomowo”

  1. Fajnie ze zaczales pisac, przynajmniej jakis nowy ciekawy blog, zwlaszcza ze ciekawa tematyka, a nie kolejne od juniora dla juniora 🙂

    A co do pytania: polecam na rekrutacji metode na Krola Artura z Monty Pythona i zapytanie w której wersji Javy. Stąd też moja uwaga: dopisuj jakiej wersji dotyczy artykuł.

     

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *