从JVM角度看Java多态

Posted 2020-09-18 青儿哥哥

首先，明确一下，Java多态的三个必要条件：

1、 继承

2、 子类重写父类方法

3、 父类引用指向子类对象

 

然后看一个例子

package test.xing;

class Father{
    protected int age;
    public Father(){
        age = 40;
    }
    
    void eat(){
        System.out.println("父亲在吃饭");
    }
}
class Child extends Father{
    protected int age;
    public Child(){
        age = 18;
    }
    
    void eat(){
        System.out.println("孩子在吃饭");
    }
    void play(){
        System.out.println("孩子在打CS");
    }
}

public class TestPolymorphic {
    public static void main(String[] args) {
        Father c = new Child();
        c.eat();
        //c.play();
        System.out.println("年龄："+c.age );
        
    }

}

输出结果为：

给出结论：当满Java多态的三个条件时，可以发现c.eat()调用的实际上是子类的eat，但c.age调用的还是父类的age，而c.play()则不会通过编译。

下面从JVM的角度解释上面这种现象

我们就从Father c = new Child()这句话切入

这句话首先会执行new Child(),在堆中分配一个对象。

当然在分配Child类的实例时，先要通过JVM的类加载器将Child类对应的class文件加载到JVM中，然后JVM根据class文件中的字节流产生一个表示class文件中类型信息的结构体

这个结构体的具体实现，不同的JVM会有不同的实现方式，但大致上都差不多，都要遵守JVM的规范。

这个表示class文件中类型信息的结构体大概由以下几部分构成：

1、 常量池

2、 类变量（静态变量）

3、 字段信息

4、 方法信息

5、 类的父类信息

6、 类的访问权限信息等

这些我说的也不够准确，具体的大家可以看JVM相关的书籍如《深入理解Java虚拟机》，在这里就有个大概的概念就好。

之后，JVM会根据上面这个结构体生成一个叫做方法表的东西。这个方法表是实现java多态的一个关键。

方法表中包含的是实例方法（就是相对于静态方法而言的，用对象访问的那些方法）的直接引用，也就是说通过这个方法表就能够访问到该类的实例方法，

而且，这些实例方法不仅包括本类的方法，还包括其父类的实例方法，以及父类的父类的实例方法（就是一直到Object）。

而且，这些方法中不包含私有方法（因为私有方法不能继承）

方法表中的这些直接应用会指向到JVM中表示类型信息的那个结构体（就是上面那个结构体）的相应的方法信息（就是上面结构体中4的某个位置），当然这只是本类的方法，表中还有父类的方法，相应地指向父类类型信息结构体的具体位置。

可能表达的不够清晰，下面画个图表示。

上面提到过，方法表中不仅包括本类的方法，还包括父类的方法，方法表值这样产生的，以Child类的方法表为例：

首先方法表中，会产生指向继承自Object类的方法的引用，这些包括指向toString的和指向equals的，当然Object中还包括很多方法，这里就不写了

然后方法表中产生指向继承自Parent类的方法的引用，这包括eat，

最后产生指向本类的方法的引用。

这里需要注意的一点是，当Child类的方法表产生指向Parent类中的方法的引用时，会有一个指向eat方法的引用，最后产生指向本类的方法的引用时，也有一个指向eat的引用，这时候，新的数据会覆盖原有的数据，也就是说原来指向Parent.eat的那个引用会被替换成指向Child.eat的引用（占据原来表中的位置）。所以我们看到在Child类的方法表中指向的是Child.eat而Parent类的方法表中指向的是Parent.eat。子类的方法表中就没有指向Parent.eat的引用了。

而且还要注意一个特点就是，Parent和Child的方法表中，指向eat的引用在表中的偏移量是一样的，都是第三个位置。（这是因为子类eat方法覆盖掉了父类eat方法，占据了原来父类eat方法的引用在表中的位置）

这里再多说一句，表示类型信息的结构体中，的方法信息，只包含本类特有的，或者是重写的方法信息，没有父类的方法信息。

 

了解了方法区的结构后，我们来看堆中对象的结构

 

接下来是栈区，产生Father类型的引用，这个引用指向堆区中的Child类的实例。

这里需要解释一下Father c的含义，我们知道c表示一个引用，这个引用指向堆中的Child类的实例，说白了就是一个地址，这个地址指向堆中的Child的类的实例，但是我们不要忘记前面还有一个Father修饰这个c

我们都知道在c中有void类型的指针，而给指针前面限定一个类型就限制了指针访问内存的方式，比如char * p就表示p只能一个字节一个字节地访问内存，但是int *p中p就必须四个字节四个字节地访问内存。

但是我们都知道指针是不安全的，其中一个不安全因素就是指针可能访问到没有分配的内存空间，也就是说char *虽然限制了p指针访问内存的方式，但是没有限制能访问内存的大小，这一点要完全靠程序员自己掌握。

但是在java的引用中Father不但指定了c以何种方式访问内存，也规定了能够访问内存空间的大小。

我们看Father实例对象的大小是占两行，但Child实例对象占三行（这里就是简单量化一下）。

所以虽然c指向的是Child实例对象，但是前面有Father修饰它，它也只能访问两行的数据，也就是说c根本访问不到Child类中的age！！！只能访问到Father类的age，所以输出40

而且我们注意两个类的方法表：

我们看到Parent的方法表占三行，Child的方法表占4行，c虽然指向了Child类的实例对象，而对象中也有指针指向Child类的方法表，但是由于c受到了Father的修饰，通过c也只能访问到Child方法表中前3行的内容！！！！

然而前面说过，在方法表的形成过程中，子类重写的方法会覆盖掉表中原来的数据，也就是Child类的方法表的第三行是指向Child.eat的引用，而不是指向Parent.eat（因为方法表产生了覆盖），所以c访问到的是Child.eat。也就是子类的方法！！！这种情况下，c是没有办法直接访问到父类的eat方法的。

 

以上就是对输出结果的解释。

花了大概两天的时间看JVM虚拟机，看得不够仔细，纰漏之处还请之处。谢谢。