多态是面向对象的最主要的特性之一,是一种方法的动态绑定,实现运行时的类型决定对象的行为。多态的表现形式是父类指针或引用指向子类对象,在这个指针上调用的方法使用子类的实现版本。多态是IOC、模板模式实现的关键。

在C++中通过虚函数表的方式实现多态,每个包含虚函数的类都具有一个虚函数表(virtual table),在这个类对象的地址空间的最靠前的位置存有指向虚函数表的指针。在虚函数表中,按照声明顺序依次排列所有的虚函数。比如:

class Base {
public:
virtual void f() {
printf("Base::f()");
} virtual void g() {
printf("Base::g()");
}
}; class Derived: public Base {
public:
virtual void f() {
printf("Derived::f()");
}
};

上面代码对应的类布局:


由于C++在运行时并不维护类型信息,所以在编译时直接在子类的虚函数表中将被子类重写的方法替换掉,如上图的Derived::f(),这个方法会被放到虚函数表中原来父函数在的位置。由于在编译时就确定了虚函数在虚表中的下标,所以在进行虚函数调用时,直接根据下标进行访问。比如,调用Derived对象上的f():

Base *b = new Derived;
b->f();

在调用b->f()时,内部会转化成(*b->vptr[1])(),由于虚函数表需要完成RTII,所以虚函数表的第一个slot存放的是type info,虚函数下标从1开始。实际上,虚函数表记录了这个类的所有虚函数的具体实现(就是在运行时确切要调用的),编译时就可以确定,不需要动态查找,效率较高。

而Java中,在运行时会维持类型信息以及类的继承体系。每一个类会在方法区中对应一个数据结构用于存放类的信息,可以通过Class对象访问这个数据结构。其中,类型信息具有superclass属性指示了其超类,以及这个类对应的方法表(其中只包含这个类定义的方法,不包括从超类继承来的)。而每一个在堆上创建的对象,都具有一个指向方法区类型信息数据结构的指针,通过这个指针可以确定对象的类型。

JVM中用于方法调用的指令包括:

invokevirtual:用于调用实例方法,会根据对象的实际类型进行调用。

invokespecial:需要特殊处理的实例方法,比如:public final方法、私有方法和父类方法等。调用的方法取决于引用的类型。

invokeinterface:调用接口的方法。

invokestatic:调用类方法。

按照上面描述,对于子类覆盖父类的方法,编译后,调用指令应该是invokevirtual,调用的方法取决于对象的类型。invokevirtual方法查找的实现方式是:

1. 通过对象中类指针找到其类信息,然后在方法表中根据方法签名找到该方法。

2. 如果不在当前类,则递归查找其父类的方法表直到Object类。

3. 如果找到Object类,也没有该方法,会抛出NoSuchMethodException异常。

与js、lua等动态语言类似,Java的实现方式依赖于内存中的类型体系信息,存在一个“原型链”,是一个完全动态的查找过程,相对于C++而言,效率会低一些,因为存在一个链表遍历查找的过程。之所以,Java中可以这样实现,本质上是因为它是一门虚拟机语言,虚拟机会维持所有的这些类型信息。

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