内存中的方法表示是什么？

Question

在思考Java/C#编程时，我想知道属于对象的方法在内存中是如何表示的，并且这个事实与多线程有什么关系。

1. 每个对象在内存中都单独实例化一个方法吗？还是所有相同类型的对象共享一个方法实例？
2. 如果是后者，执行线程如何知道使用哪个对象的属性？
3. 是否可以使用反射修改C#方法的代码，针对一种类型的多个对象中的一个对象进行修改？
4. 一个不使用类属性的静态方法是否总是线程安全的？

我试着想清楚这些问题，但我对它们的答案非常不确定。

- Emiswelt

Answer 1

你的源代码中的每个方法（在Java、C#、C++、Pascal等面向对象和过程式编程语言中）在二进制文件和内存中只有一个副本。

一个对象的多个实例具有不同的字段，但是它们都共享相同的方法代码。技术上，存在一个过程，它会接受一个隐藏的this参数，以提供对对象执行方法的幻觉。实际上，您调用的是一个过程，并将一个结构体（一组字段）与其他参数一起传递给它。以下是一个简单的Java对象和更或多或少等效的伪C代码：

class Foo {
  private int x;

  int mulBy(int y) {
    return x * y
  }
}

Foo foo = new Foo()
foo.mulBy(3)

被翻译成了这个伪代码（封装是由编译器和运行时/虚拟机强制实现的）：

struct Foo {
    int x = 0;
}

int Foo_mulBy(Foo *this, int y) {
    return this->x * y;
}

Foo* foo = new Foo();
Foo_mulBy(foo, 3)

你需要区分代码和它所操作的本地变量以及参数（数据）之间的差异。数据存储在调用堆栈中，每个线程都有自己的本地变量。代码可以被多个线程执行，每个线程都有自己的指令指针（指向它当前执行的方法中的位置）。另外因为this是一个参数，所以它是线程局部的，因此每个线程可以同时操作不同的对象，即使它们运行相同的代码。

话虽如此，你不能只修改一个实例的方法，因为方法的代码是共享的，适用于所有实例。

- Tomasz Nurkiewicz

Answer 2

Java规范并没有规定如何进行内存布局，不同的实现可以随心所欲地进行，只要在相关方面符合规范即可。

话虽如此，主流的Oracle JVM（HotSpot）使用了普通对象指针（oops）。这些oopp由两个头部单词组成，后跟数据，这些数据包含了实例成员字段（对于基本类型，这些存储为内联，对于引用类型则存储为指针）。

两个头部单词之一是类单词，它是指向klassOop的指针。这是一种特殊的oop类型，其中包含了该类的实例方法的指针（基本上，这是Java类型相应的C++ vtable）。klassOop是VM级别的Class对象表示。

如果你对低级细节感到好奇，可以通过查看OpenJDK源代码中某些oop类型的定义来了解更多信息（klassOop是一个很好的起点）。

简而言之，Java为每种类型的每个方法保留一个代码块。代码块在每个类型的每个实例之间共享，并使用隐藏的this指针来确定使用哪个实例的成员。

- kittylyst

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谢谢您的解释，我觉得了解JVM内部发生的事情非常有趣。+1 - Emiswelt

Answer 3

我将尝试在C#的上下文中回答这个问题。基本上有三种不同类型的方法：

• 虚方法
• 非虚方法
• 静态方法

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当您的代码被执行时，堆上基本上有两种对象。

• 与对象类型相对应的对象。这称为类型对象。它包含类型对象指针、同步块索引、静态字段和方法表。
• 与对象本身相对应的对象，其中包含所有非静态字段。

回答您的问题：

1. 每个对象在内存中都实例化了一个方法，还是所有相同类型的对象共享一个方法实例？

这是一种错误的理解对象的方式。所有方法都只属于类型。可以这样看待它。方法只是一组指令。第一次调用特定的方法时，IL代码会被JIT编译成本地指令并保存在内存中。下一次调用时，地址从方法表中获取，并再次执行相同的指令。

2.如果是后者，执行线程如何知道使用哪个对象的属性？ 每次在类型上调用静态方法时，都会查找相应类型对象的方法表，并找到JIT指令的地址。对于非静态方法，调用该方法的相关对象会维护在线程的本地堆栈上。基本上，您可以获得堆栈上最近的对象。那就是我们想要调用方法的对象。

3.是否可能使用反射为一个类型的多个对象中的一个修改C#方法的代码？ 不，现在不可能（我为此感到感激）。原因是反射只允许代码检查。如果您弄清楚某些方法实际上意味着什么，那么您将无法更改同一程序集中的代码。

- gprasant

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非常有趣的阅读。它很好地回答了我关于C#的问题。加一。 :) - Emiswelt

我不理解"静态方法"是如何保证线程安全的。这就是为什么我没有回答最后一个问题的原因。那个术语"线程安全"是什么意思？ - gprasant

我只是想知道是否可以安全地同时从多个线程调用该方法。 - Emiswelt