Java技术——多态的实现原理

Posted 2022-06-23 SEU_Calvin

0．前言

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多态在Java技术里有很重要的地位，在面试中也会经常被问到。

多态的使用大家应该都比较了解，但是多态的实现原理就有点抽象了，查了很多很多资料，连续几天断断续续的看，有时候看着看着就走神了。毕竟太抽象，哈哈~

不过依然硬着头皮看下来了（也不知道看了多少遍），并且将很多资料里关于多态的知识进行了整理（添添加加删删减减了很久，也把重点根据自己的理解用红字标出），便有了这篇文章。通过这篇文章相信可以帮助你更加深刻的理解多态。

1．Java多态概述

Java的方法重载，就是在类中可以创建多个方法，它们具有相同的名字，但可具有不同的参数列表、返回值类型。调用方法时通过传递的参数类型来决定具体使用哪个方法，这就是多态性。

Java的方法重写，是父类与子类之间的多态性，子类可继承父类中的方法，但有时子类并不想原封不动地继承父类的方法，而是想作一定的修改，这就需要采用方法的重写。重写的参数列表和返回类型均不可修改。

2．方法重写后的动态绑定

多态允许具体访问时实现方法的动态绑定。Java对于动态绑定的实现主要依赖于方法表，通过继承和接口的多态实现有所不同。

继承：在执行某个方法时，在方法区中找到该类的方法表，再确认该方法在方法表中的偏移量，找到该方法后如果被重写则直接调用，否则认为没有重写父类该方法，这时会按照继承关系搜索父类的方法表中该偏移量对应的方法。 

接口：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，这样同一个接口的的方法在不同类方法表中的位置就可能不一样了。所以不能通过偏移量的方法，而是通过搜索完整的方法表。

3．JVM的结构（拓展知识，不了解可以看看）

从上图可以看出，当程序运行需要某个类时，类加载器会将相应的class文件载入到JVM中，并在方法区建立该类的类型信息（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）。 
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（所以方法区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。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。

4．Java 的方法调用方式（拓展知识，可以不看）

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；而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。

5．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。

6．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。

参考博客地址如下:huangrunqing的博客、fan2012huan的博客。