计算机程序的思维逻辑 (17) - 继承实现的基本原理

Posted 2020-07-16 老马说编程

本节介绍继承实现的基本原理，类在内存中包括哪些信息？对象创建的过程？对象的内存布局？动态绑定是如何实现的？虚方法表是什么？ ...

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第15节我们介绍了继承和多态的基本概念，而上节我们进一步介绍了继承的一些细节，本节我们通过一个例子，来介绍继承实现的基本原理。需要说明的是，本节主要从概念上来介绍原理，实际实现细节可能与此不同。

例子

这是基类代码：

public class Base {
    public static int s;
    private int a;
    
    static {
        System.out.println("基类静态代码块, s: "+s);
        s = 1;
    }
    
    {
        System.out.println("基类实例代码块, a: "+a);
        a = 1;
    }
    
    public Base(){
        System.out.println("基类构造方法, a: "+a);
        a = 2;
    }
    
    protected void step(){
        System.out.println("base s: " + s +", a: "+a);
    }
    
    public void action(){
        System.out.println("start");
        step();
        System.out.println("end");
    }
}

Base包括一个静态变量s，一个实例变量a，一段静态初始化代码块，一段实例初始化代码块，一个构造方法，两个方法step和action。

这是子类代码：

public class Child extends Base {
    public static int s;
    private int a;
    
    static {
        System.out.println("子类静态代码块, s: "+s);
        s = 10;
    }
    
    {
        System.out.println("子类实例代码块, a: "+a);
        a = 10;
    }
    
    public Child(){
        System.out.println("子类构造方法, a: "+a);
        a = 20;
    }
    
    protected void step(){
        System.out.println("child s: " + s +", a: "+a);
    }
}

Child继承了Base，也定义了和基类同名的静态变量s和实例变量a，静态初始化代码块，实例初始化代码块，构造方法，重写了方法step。

这是使用的代码：

public static void main(String[] args) {
    System.out.println("---- new Child()");
    Child c = new Child();
    
    System.out.println("\\n---- c.action()");
    c.action();
    
    Base b = c;
    System.out.println("\\n---- b.action()");
    b.action();
    
    
    System.out.println("\\n---- b.s: " + b.s); 
    System.out.println("\\n---- c.s: " + c.s); 
}

创建了Child类型的对象，赋值给了Child类型的引用变量c，通过c调用action方法，又赋值给了Base类型的引用变量b，通过b也调用了action，最后通过b和c访问静态变量s并输出。这是屏幕的输出结果：

---- new Child()
基类静态代码块, s: 0
子类静态代码块, s: 0
基类实例代码块, a: 0
基类构造方法, a: 1
子类实例代码块, a: 0
子类构造方法, a: 10

---- c.action()
start
child s: 10, a: 20
end

---- b.action()
start
child s: 10, a: 20
end

---- b.s: 1

---- c.s: 10

下面我们来解释一下背后都发生了一些什么事情，从类的加载开始。

类的加载

在Java中，所谓类的加载是指将类的相关信息加载到内存。在Java中，类是动态加载的，当第一次使用这个类的时候才会加载，加载一个类时，会查看其父类是否已加载，如果没有，则会加载其父类。

一个类的信息主要包括以下部分：

• 类变量（静态变量）
• 类初始化代码
• 类方法（静态方法）
• 实例变量
• 实例初始化代码
• 实例方法
• 父类信息引用 

类初始化代码包括：

1. 定义静态变量时的赋值语句
2. 静态初始化代码块

实例初始化代码包括：

1. 定义实例变量时的赋值语句
2. 实例初始化代码块
3. 构造方法 

类加载过程包括：

1. 分配内存保存类的信息
2. 给类变量赋默认值
3. 加载父类
4. 设置父子关系
5. 执行类初始化代码 

需要说明的是，关于类初始化代码，是先执行父类的，再执行子类的，不过，父类执行时，子类静态变量的值也是有的，是默认值。对于默认值，我们之前说过，数字型变量都是0，boolean是false，char是\'\\u0000\'，引用型变量是null。

之前我们说过，内存分为栈和堆，栈存放函数的局部变量，而堆存放动态分配的对象，还有一个内存区，存放类的信息，这个区在Java中称之为方法区。

加载后，对于每一个类，在Java方法区就有了一份这个类的信息，以我们的例子来说，有三份类信息，分别是Child，Base，Object，内存示意图如下：

我们用class_init()来表示类初始化代码，用instance_init()表示实例初始化代码，实例初始化代码包括了实例初始化代码块和构造方法。例子中只有一个构造方法，实际中可能有多个实例初始化方法。

本例中，类的加载大概就是在内存中形成了类似上面的布局，然后分别执行了Base和Child的类初始化代码。接下来，我们看对象创建的过程。

创建对象

在类加载之后，new Child()就是创建Child对象，创建对象过程包括：

1. 分配内存
2. 对所有实例变量赋默认值
3. 执行实例初始化代码 

分配的内存包括本类和所有父类的实例变量，但不包括任何静态变量。实例初始化代码的执行从父类开始，先执行父类的，再执行子类的。但在任何类执行初始化代码之前，所有实例变量都已设置完默认值。

每个对象除了保存类的实例变量之外，还保存着实际类信息的引用。

Child c = new Child();会将新创建的Child对象引用赋给变量c，而Base b = c;会让b也引用这个Child对象。创建和赋值后，内存布局大概如下图所示：

引用型变量c和b分配在栈中，它们指向相同的堆中的Child对象，Child对象存储着方法区中Child类型的地址，还有Base中的实例变量a和Child中的实例变量a。创建了对象，接下来，来看方法调用的过程。

方法调用

我们先来看c.action();这句代码的执行过程是：

1. 查看c的对象类型，找到Child类型，在Child类型中找action方法，发现没有，到父类中寻找
2. 在父类Base中找到了方法action，开始执行action方法
3. action先输出了start，然后发现需要调用step()方法，就从Child类型开始寻找step方法
4. 在Child类型中找到了step()方法，执行Child中的step()方法，执行完后返回action方法
5. 继续执行action方法，输出end

寻找要执行的实例方法的时候，是从对象的实际类型信息开始查找的，找不到的时候，再查找父类类型信息。

我们来看b.action();，这句代码的输出和c.action是一样的，这称之为动态绑定，而动态绑定实现的机制，就是根据对象的实际类型查找要执行的方法，子类型中找不到的时候再查找父类。这里，因为b和c指向相同的对象，所以执行结果是一样的。

如果继承的层次比较深，要调用的方法位于比较上层的父类，则调用的效率是比较低的，因为每次调用都要进行很多次查找。大多数系统使用一种称为虚方法表的方法来优化调用的效率。

虚方法表

所谓虚方法表，就是在类加载的时候，为每个类创建一个表，这个表包括该类的对象所有动态绑定的方法及其地址，包括父类的方法，但一个方法只有一条记录，子类重写了父类方法后只会保留子类的。

对于本例来说，Child和Base的虚方法表如下所示：

对Child类型来说，action方法指向Base中的代码，toString方法指向Object中的代码，而step()指向本类中的代码。

这个表在类加载的时候生成，当通过对象动态绑定方法的时候，只需要查找这个表就可以了，而不需要挨个查找每个父类。

接下来，我们看对变量的访问。

变量访问

对变量的访问是静态绑定的，无论是类变量还是实例变量。代码中演示的是类变量：b.s和c.s，通过对象访问类变量，系统会转换为直接访问类变量Base.s和Child.s。

例子中的实例变量都是private的，不能直接访问，如果是public的，则b.a访问的是对象中Base类定义的实例变量a，而c.a访问的是对象中Child类定义的实例变量a。

小结

本节，我们通过一个例子，介绍了类的加载、对象创建、方法调用以及变量访问的内部过程。现在，我们应该对继承的实现有了一个比较清楚的理解。

之前我们提到过，继承其实是把双刃剑，为什么这么说呢？让我们下节来探讨。

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