Java多态实现原理

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Java多态概述

多态是面向对象编程语言的重要特性,它允许基类的指针或引用指向派生类的对象,而在具体访问时实现方法的动态绑定。Java 对于方法调用动态绑定的实现主要依赖于方法表,但通过类引用调用(invokevirtual)和接口引用调用(invokeinterface)的实现则有所不同。

类引用调用的大致过程为:Java编译器将Java源代码编译成class文件,在编译过程中,会根据静态类型将调用的符号引用写到class文件中。在执行时,JVM根据class文件找到调用方法的符号引用,然后在静态类型的方法表中找到偏移量,然后根据this指针确定对象的实际类型,使用实际类型的方法表,偏移量跟静态类型中方法表的偏移量一样,如果在实际类型的方法表中找到该方法,则直接调用,否则,认为没有重写父类该方法。按照继承关系从下往上搜索。

接口引用调用后面再说吧。

从上图可以看出,当程序运行时,需要某个类时,类载入子系统会将相应的class文件载入到JVM中,并在内部建立该类的类型信息(这个类型信息其实就是class文件在JVM中存储的一种数据结构),包含java类定义的所有信息,包括方法代码,类变量、成员变量、以及本博文要重点讨论的方法表。这个类型信息就存储在方法区。

注意,这个方法区中的类型信息跟在堆中存放的class对象是不同的。在方法区中,这个class的类型信息只有唯一的实例(所以是各个线程共享的内存区域),而在堆中可以有多个该class对象。可以通过堆中的class对象访问到方法区中类型信息。就像在java反射机制那样,通过class对象可以访问到该类的所有信息一样。
【重点】
方法表是实现动态调用的核心。上面讲过方法表存放在方法区中的类型信息中。为了优化对象调用方法的速度,方法区的类型信息会增加一个指针,该指针指向一个记录该类方法的方法表,方法表中的每一个项都是对应方法的指针。
这些方法中包括从父类继承的所有方法以及自身重写(override)的方法。
【拓展】
方法区:方法区和JAVA堆一样,是各个线程共享的内存区域,用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
运行时常量池:它是方法区的一部分,Class文件中除了有类的版本、方法、字段等描述信息外,还有一项信息是常量池,用于存放编译器生成的各种符号引用,这部分信息在类加载时进入方法区的运行时常量池中。
方法区的内存回收目标是针对常量池的回收及对类型的卸载。

Java 的方法调用方式

Java 的方法调用有两类,动态方法调用与静态方法调用。

  • 静态方法调用是指对于类的静态方法的调用方式,是静态绑定的
  • 动态方法调用需要有方法调用所作用的对象,是动态绑定的。
    类调用 (invokestatic) 是在编译时就已经确定好具体调用方法的情况。
    实例调用 (invokevirtual)则是在调用的时候才确定具体的调用方法,这就是动态绑定,也是多态要解决的核心问题。
    JVM 的方法调用指令有四个,分别是 invokestatic,invokespecial,invokesvirtual 和 invokeinterface。前两个是静态绑定,后两个是动态绑定的。本文也可以说是对于JVM后两种调用实现的考察。
方法表与方法调用

如有类定义 Person, Girl, Boy

class Person {
    public String toString() {
        return "I'm a person.";
    }

    public void eat() {
    }

    public void speak() {
    }

}

class Boy extends Person {
    public String toString() {
        return "I'm a boy";
    }

    public void speak() {
    }

    public void fight() {
    }
}

class Girl extends Person {
    public String toString() {
        return "I'm a girl";
    }

    public void speak() {
    }

    public void sing() {
    }
} 

当这三个类被载入到 Java 虚拟机之后,方法区中就包含了各自的类的信息。Girl 和 Boy 在方法区中的方法表可表示如下:

可以看到,Girl 和 Boy 的方法表包含继承自 Object 的方法,继承自直接父类 Person 的方法及各自新定义的方法。注意方法表条目指向的具体的方法地址,如 Girl 继承自 Object 的方法中,只有 toString() 指向自己的实现(Girl 的方法代码),其余皆指向 Object 的方法代码;其继承自于 Person 的方法 eat() 和 speak() 分别指向 Person 的方法实现和本身的实现。

如果子类改写了父类的方法,那么子类和父类的那些同名的方法共享一个方法表项。

因此,方法表的偏移量总是固定的。所有继承父类的子类的方法表中,其父类所定义的方法的偏移量也总是一个定值。
Person 或 Object中的任意一个方法,在它们的方法表和其子类 Girl 和 Boy 的方法表中的位置 (index) 是一样的。这样 JVM 在调用实例方法其实只需要指定调用方法表中的第几个方法即可。

如调用如下:

class Party {
    void happyHour() {
        Person girl = new Girl();
        girl.speak();
    }
} 

当编译 Party 类的时候,生成 girl.speak()的方法调用假设为:

Invokevirtual #12

设该调用代码对应着 girl.speak(); #12 是 Party 类的常量池的索引。JVM 执行该调用指令的过程如下所示:

(1)在常量池(这里有个错误,上图为ClassReference常量池而非Party的常量池)中找到方法调用的符号引用 。 (2)查看Person的方法表,得到speak方法在该方法表的偏移量(假设为15),这样就得到该方法的直接引用。
(3)根据this指针得到具体的对象(即 girl 所指向的位于堆中的对象)。
(4)根据对象得到该对象对应的方法表,根据偏移量15查看有无重写(override)该方法,如果重写,则可以直接调用(Girl的方法表的speak项指向自身的方法而非父类);如果没有重写,则需要拿到按照继承关系从下往上的基类(这里是Person类)的方法表,同样按照这个偏移量15查看有无该方法。

接口调用

因为 Java 类是可以同时实现多个接口的,而当用接口引用调用某个方法的时候,情况就有所不同了。

Java 允许一个类实现多个接口,从某种意义上来说相当于多继承,这样同样的方法在基类和派生类的方法表的位置就可能不一样了

interface IDance {
    void dance();
}

class Person {
    public String toString() {
        return "I'm a person.";
    }

    public void eat() {
    }

    public void speak() {
    }

}

class Dancer extends Person implements IDance {
    public String toString() {
        return "I'm a dancer.";
    }

    public void dance() {
    }
}

class Snake implements IDance {
    public String toString() {
        return "A snake.";
    }

    public void dance() {
        //snake dance  
    }
} 

可以看到,由于接口的介入,继承自于接口 IDance 的方法 dance()在类 Dancer 和 Snake 的方法表中的位置已经不一样了,显然我们无法仅根据偏移量来进行方法的调用。

Java 对于接口方法的调用是采用搜索方法表的方式,如,要在Dancer的方法表中找到dance()方法,必须搜索Dancer的整个方法表。

因为每次接口调用都要搜索方法表,所以从效率上来说,接口方法的调用总是慢于类方法的调用的。

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