Java中的动态链接VS操作系统动态链接

在操作系统OS中为了优化内存的使用会采用一种动态链接方式，一个文件想要在操作系统中运行必须经过编译、汇编译、链接、装载等步骤。可以参考Java程序是怎么跑起来的。本篇主要讲解Java栈帧中动态链接部分与操作系统的的动态链接的区别与联系

操纵系统为什么需要动态链接(做了解，也可直接略过)

OS是向下统一管理机器硬件、向上给各个应用程序提供统一的系统调用的程序。其中对内存的管理也是重头戏，以下是32位Linux操作系统中虚拟内存的空间分配图

每一个应用程序看到的内存就是这样的一段虚拟内存空间。应用程序的代码指令就存储在.text段也叫代码段，只读。.data段也叫数据段用于存储程序的静态变量、全局变量，可读可写

在应用程序的运行中除了运行自身的代码指令外还需要加载一些系统的公共库，比如用于网络收发的socket库等。在windows中，这些共享库以.dll(Dynamic-Link Libary 动态链接库)结尾，在Linux中以.so(Shared Object)结尾。加载这些共享库可进行对系统资源的调用

静态链接

当应用程序代码经历链接过程生成可执行文件时，每链接一个共享库就将共享库代码复制一份进应用程序的可执行文件中，因此有多少应用程序调用同一个共享库文件，该共享库文件中的代码就在内存中加载多少份

动态链接

在没用动态链接前，系统确实是采用静态链接的方式链接共享库，但是发现对内存的使用是一种极大的浪费，因此动态链接孕育而生。为了达到各个应用程序只加载同一个共享库但内存只存在一份共享库代码，动态链接首先解决的技术问题是地址无关性

PLT、GOT表解决地址无关性

我们都知道程序代码指令加载进内存的代码段是可执行只读的，无法动态的修改代码指令。那么当共享库载入内存中时是怎么被各个不同的应用程序找到的呢？

其实在应用程序的可执行文件加载进内存后，该程序的内存数据段(.data)存在一张GOT(Global Offset Table)全局偏移表，GOT表中，当有需要引用共享库地址的方法指令，都会查询 GOT，根据GOT表找到共享库方法指令的地址位置并调用。因为GOT存在于数据段，因此当共享库发生变化时，应用程序也不需要重新编译，可以直接动态的改变GOT表中的虚拟内存，从而找到最新的共享库。

共享库载入实际的物理内存，虽然物理内存不会变，但是每个应用程序看到的虚拟内存不一样，所以共享库在不同的应用程序中的虚存地址是不一样的，好在每个应用程序都拥有自己的GOT表，能够准确的记录了共享库的位置。这也就达到了地址无关性。

PLT(Procedure Link Table)程序链接表存在于内存的代码段中，主要是用于延迟绑定，我们可以将其理解为跳表。应用程序先是调用PLT表中查询需要调用的GOT表的地址位置，跳到GOT表后查询出共享库的虚存，然后再去调用共享库方法。因为很多动态装载的函数库都是不会被实际调用到的，而共享库中存在非常多的函数，因此采用PLT可达到延迟加载。

像动态链接这样通过修改“地址数据”来进行间接跳转，去调用一开始不能确定位置代码的思路，Java中的多态也采用了这种思想。

Java栈帧中的动态链接

以前的文章中解释了栈帧(拆解栈帧中本地变量表)，其中动态链接也是组成栈帧的一部分。在上面对OS的解释中，动态链接是一种技术名称，在Java栈帧这里怎么就成了一个实体了呢？其实根据Java虚拟机对动态链接的描述，翻译成中文就是一个【引用】，那么栈帧存在的这个【引用】是干什么的呢？

在解释这个【引用】的作用之前，还是先说明一点，Java栈帧中的动态链接的目的其实跟OS的是一样的，都是为了节省内存空间，知道这个目的后我们再说明为什么可以节省。也因此在看JVM的时候，我总是会与OS做类比。

这个【引用】在虚机规范的解释为>指向运行时常量池的方法引用。每当栈帧中调用其他方法时都会存在一个【引用】。在.class文件中所有的变量和方法引用都是符号引用(Symbolic Reference)也就是下面字节码中的 #数字。比如下面用javap反编译的.class文件中的Constant pool。

public class com.ethan.chapter02.Test02LocalVariables
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #7.#28         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Class              #29            // com/ethan/chapter02/Test02LocalVariables
   #3 = Methodref          #2.#28         // com/ethan/chapter02/Test02LocalVariables."":()V
   #4 = Methodref          #2.#30         // com/ethan/chapter02/Test02LocalVariables.test3:()V
   #5 = Long               100l
   #7 = Class              #31            // java/lang/Object
   #8 = Utf8               <init>
   #9 = Utf8               ()V
  #10 = Utf8               Code
  #11 = Utf8               LineNumberTable
  #12 = Utf8               LocalVariableTable
  #13 = Utf8               this
  #14 = Utf8               Lcom/ethan/chapter02/Test02LocalVariables;
  #15 = Utf8               main
  #16 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #17 = Utf8               args
  #18 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #19 = Utf8               variablesTable
  #20 = Utf8               num
  #21 = Utf8               I
  #22 = Utf8               test3
  #23 = Utf8               q
  #24 = Utf8               J
  #25 = Utf8               a
  #26 = Utf8               SourceFile
  #27 = Utf8               Test02LocalVariables.java
  #28 = NameAndType        #8:#9          // "":()V
  #29 = Utf8               com/ethan/chapter02/Test02LocalVariables
  #30 = NameAndType        #22:#9         // test3:()V
  #31 = Utf8               java/lang/Object
{
  public com.ethan.chapter02.Test02LocalVariables();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/ethan/chapter02/Test02LocalVariables;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: new           #2                  // class com/ethan/chapter02/Test02LocalVariables
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method "":()V
         7: astore_1
         8: bipush        10
        10: istore_2
        11: aload_1
        12: invokevirtual #4                  // Method test3:()V
        15: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 8
        line 14: 11
        line 15: 15
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      16     0  args   [Ljava/lang/String;
            8       8     1 variablesTable   Lcom/ethan/chapter02/Test02LocalVariables;
           11       5     2   num   I

  public void test3();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: ldc2_w        #5                  // long 100l
         3: lstore_1
         4: bipush        10
         6: istore_3
         7: return
      LineNumberTable:
        line 20: 0
        line 21: 4
        line 22: 7
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       8     0  this   Lcom/ethan/chapter02/Test02LocalVariables;
            4       4     1     q   J
            7       1     3     a   I
}

在.class文件中的常量池会随着文件被加载而转换进JVM中的运行时常量池中。由于存在了这些【符号引用】，可以使用Java层面的动态链接技术，将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。比如字节码中的 invokevirtual指令就能够支持动态链接。

在类加载子系统中，一个.class文件被加载进JVM共需要经历3步骤，加载-链接-初始化。而在链接阶段中的第三步【解析】的目的就是将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程，也就是动态链接产生的过程。

我们类比一下OS的动态链接与Java的动态链接。Java的.class文件类比于OS的每一个应用程序的可执行文件，.class文件中的常量池类比于GOT表，java的运行时常量池类比于共享库。java产生动态的链接是在.class的解析阶段，根据.class文件中的符号引用去查询常量池然后，将.class文件中的符号引用转换为直接应用，并存于栈帧中。

因为在加载不同的.class文件时，都可能调用相同的常量或者方法，所以只需要在运行时常量池存储一份，然后记录其直接引用即可，因此节省了空间。

解释完Java层面的动态链接我们也就能解释Java多态的实现过程了，在Java源代码编译期间方法的重写导致无法确认出调用方法的真正位置，只有在运行时将符号引用转为为直接应用确定方法的位置。这个过程也就是在【解析】阶段实现的。

这种编译时期无法确定方法的调用位置，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。