JVM 驗證階段不檢查介面實作狀況

背景

繼續探討執行 Java 程式所需各種檢查發生的時機，這次關注介面呼叫問題。

JVM 方法呼叫指令差異

當前 JVM 規範中，與方法呼叫相關的指令有四個：invokevirtual、invokeinterface、invokestatic、invokespecial。呼叫介面方法時使用 invokeinterface，它與其他三指令有顯著差異：不要求 JVM 驗證器檢查被呼叫物件的型別；其他三指令都要求驗證被呼叫物件。意即，使用 invokeinterface 時若被呼叫物件未實作指定介面，應在執行期而非鏈結期拋出異常；其他三指令要求在鏈結期拋出異常。

JVM 規範原文

Java Virtual Machine Specification, 2nd Edition 寫道：

invokeinterface ...
Runtime Exceptions ...
if the class of objectref does not implement the resolved interface, invokeinterface throws an IncompatibleClassChangeError.

留意其他三指令中的 IncompatibleClassChangeError 皆為 Linking Exception 而非 Runtime Exception。

對 Java 程式可見行為

若方法通不過驗證，整個方法不會被執行；若通過驗證但拋出執行期異常，則拋出異常前的程式碼都會被執行。

直接用 Java 語言寫出的程式很難引發此錯誤，因 Java 編譯器會檢查保證型別安全。但 Java class 檔案或位元組碼可由 Java 編譯器外的其他方式產生，此時無編譯器型別安全保證，需依賴 JVM 對位元組碼驗證及執行期檢查。

實際範例演示

先建立介面 IFoo、實作類別 FooImpl、未實作介面的類別 Bar：

public interface IFoo { void method(); }
public class FooImpl implements IFoo { public void method() { System.out.println("FooImpl.method()"); } }
public class Bar { public void anotherMethod() { System.out.println("Bar.anotherMethod()"); } }

構造引發執行期異常程式：

public class TestInterfaceCall { 
    public static void main(String[] args) { 
        IFoo f = new FooImpl(); 
        f.method(); 
        Bar b = new Bar(); 
        ((IFoo)b).method(); // << watch this 
    } 
}

若直接編譯，位元組碼會有 checkcast 指令將 Bar 轉為 IFoo，執行期在該指令報錯。但我們要引發的是介面呼叫相關錯誤：以 b 為被呼叫物件，呼叫 IFoo.method() 而非 Bar 既有方法。需自行產生位元組碼避開 checkcast。

使用 Charles Nutter 的 bitescript 函式庫（需 JRuby 1.2.0+，此處用 1.3.0RC2）：

gem install bitescript

產生位元組碼腳本 (test.rb)

require 'rubygems'
require 'bitescript'
include BiteScript
IFoo = Java::IFoo
FooImpl = Java::FooImpl
Bar = Java::Bar
fb = FileBuilder.build(__FILE__) do
  public_class 'TestInterfaceCall' do
    public_static_method 'main', void, string[] do
      # IFoo f = new FooImpl();
      new FooImpl
      dup
      invokespecial FooImpl, '', [void]
      astore 1
      # f.method();
      aload 1
      invokeinterface IFoo, 'method', [void]
      # Bar b = new Bar();
      new Bar
      dup
      invokespecial Bar, '', [void]
      astore 2
      # ((IFoo)b).method();
      aload 2
      ## checkcast IFoo  # skip the cast to trigger IncompatibleClassChangeError
      invokeinterface IFoo, 'method', [void]
      returnvoid
    end
  end
end
fb.generate do |filename, class_builder|
  File.open(filename, 'w') do |file|
    file.write(class_builder.generate)
  end
end

執行腳本，將產生的 TestInterfaceCall.class 與 IFoo.class、FooImpl.class、Bar.class 放同目錄。執行 java TestInterfaceCall：

D:\sdk\jruby-1.3.0RC2\test_bitescript>java TestInterfaceCall
FooImpl.method()
Exception in thread "main" java.lang.IncompatibleClassChangeError
    at TestInterfaceCall.main(test.rb)

程式印出 "FooImpl.method()"，證明異常在執行期而非鏈結期拋出。

現今用到 Java 位元組碼改寫/動態產生工具已普遍，使用時若不夠小心，此處提到的執行期異常也有機會遇到。

執行環境：java version "1.6.0_11"