java方法调用之动态调用多态（重写override）的实现原理——方法表（三）

上两篇篇博文讨论了java的重载（overload）与重写（override）、静态分派与动态分派。这篇博文讨论下动态分派的实现方法，即多态override的实现原理。

java方法调用之重载、重写的调用原理（一）

java方法调用之单分派与多分派（二）

本文大部分内容来自于IBM的博文多态在 Java 和 C++ 编程语言中的实现比較 。这里写一遍主要是加深自己的理解。方便以后查看，增加了一些自己的见解及行文组织，不是出于商业目的，如若须要下线。请告知。

结论

基于基类的调用和基于接口的调用，从性能上来讲，基于基类的调用性能更高 。

由于invokevirtual是基于偏移量的方式来查找方法的。而invokeinterface是基于搜索的。

概述

多态是面向对象程序设计的重要特性。多态同意基类的引用指向派生类的对象，而在详细訪问时实现方法的动态绑定。

java对方法动态绑定的实现方法主要基于方法表，可是这里分两种调用方式invokevirtual和invokeinterface，即类引用调用和接口引用调用。类引用调用仅仅须要改动方法表的指针就能够实现动态绑定（具有同样签名的方法，在父类、子类的方法表中具有同样的索引號）。而接口引用调用须要扫描整个方法表才干实现动态绑定（由于。一个类能够实现多个接口，另外一个类可能仅仅实现一个接口。无法具有同样的索引號。这句假设没有看懂，继续往下看。会有样例。

写到这里。感觉自己看书时，有的时候也会不理解，看不懂，思考一段时间，还是不明确，做个标记，继续阅读吧。然后回头再看。可能就豁然开朗。）。

类引用调用的大致过程为：java编译器将java源码编译成class文件，在编译过程中。会依据静态类型将调用的符号引用写到class文件里。在运行时，JVM依据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。然后依据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，假设在实际类型的方法表中找到该方法，则直接调用，否则。依照继承关系从下往上搜索。

以下对上面的描写叙述做详细的分析讨论。

JVM的运行时结构

从上图能够看出，当程序运行时。须要某个类时，类加载子系统会将相应的class文件加载到JVM中，并在内部建立该类的类型信息。这个类型信息事实上就是class文件在JVM中存储的一种数据结构，他包含着java类定义的全部信息。包含方法代码，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，这种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的类型信息仅仅有唯一的实例（所以是各个线程共享的内存区域）。而在堆中能够有多个该class对象。能够通过堆中的class对象訪问到方法区中类型信息。

就像在java反射机制那样，通过class对象能够訪问到该类的全部信息一样。

方法表是实现动态调用的核心。

方法表存放在方法区中的类型信息中。方法表中存放有该类定义的全部方法及指向方法代码的指针。这些方法中包含从父类继承的全部方法以及自身重写（override）的方法。

类引用调用invokevirtual

代码例如以下：

package org.fan.learn.methodTable;

/**
 * Created by fan on 2016/3/30.
 */
public class ClassReference {
    static class Person {
        @Override
        public String toString(){
            return "I'm a person.";
        }
        public void eat(){
            System.out.println("Person eat");
        }
        public void speak(){
            System.out.println("Person speak");
        }

    }

    static class Boy extends Person{
        @Override
        public String toString(){
            return "I'm a boy";
        }
        @Override
        public void speak(){
            System.out.println("Boy speak");
        }
        public void fight(){
            System.out.println("Boy fight");
        }
    }

    static class Girl extends Person{
        @Override
        public String toString(){
            return "I'm a girl";
        }
        @Override
        public void speak(){
            System.out.println("Girl speak");
        }
        public void sing(){
            System.out.println("Girl sing");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person boy = new Boy();
        Person girl = new Girl();
        System.out.println(boy);
        boy.eat();
        boy.speak();
        //boy.fight();
        System.out.println(girl);
        girl.eat();
        girl.speak();
        //girl.sing();
    }
}

注意，boy.fight(); 和 girl.sing(); 这两个是有问题的，在IDEA中会提示“Cannot resolve method ‘fight()’”。由于，方法的调用是有静态类型检查的，而boy和girl的静态类型都是Person类型的，在Person中没有fight方法和sing方法。因此。会报错。

运行结果例如以下：



从上图能够看到，boy.eat() 和 girl.eat() 调用产生的输出都是”Person eat”。由于Boy和Girl中没有override 父类的eat方法。

字节码指令：

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
   Stack=2, Locals=3, Args_size=1
   0:   new     #2; //class ClassReference$Boy
   3:   dup
   4:   invokespecial   #3; //Method ClassReference$Boy."<init>":()V
   7:   astore_1
   8:   new     #4; //class ClassReference$Girl
   11:  dup
   12:  invokespecial   #5; //Method ClassReference$Girl."<init>":()V
   15:  astore_2
   16:  getstatic       #6; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   19:  aload_1
   20:  invokevirtual   #7; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
   23:  aload_1
   24:  invokevirtual   #8; //Method ClassReference$Person.eat:()V
   27:  aload_1
   28:  invokevirtual   #9; //Method ClassReference$Person.speak:()V
   31:  getstatic       #6; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   34:  aload_2
   35:  invokevirtual   #7; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
   38:  aload_2
   39:  invokevirtual   #8; //Method ClassReference$Person.eat:()V
   42:  aload_2
   43:  invokevirtual   #9; //Method ClassReference$Person.speak:()V
   46:  return

当中全部的invokevirtual调用的都是Person类中的方法。

以下看看java对象的内存模型：



从上图能够清楚地看到调用方法的指针指向。

并且能够看出同样签名的方法在方法表中的偏移量是一样的。这个偏移量仅仅是说Boy方法表中的继承自Object类的方法、继承自Person类的方法的偏移量与Person类中的同样方法的偏移量是一样的。与Girl是没有不论什么关系的。

以下再看看调用过程，以girl.speak() 方法的调用为例。在我的字节码中，这条指令相应43: invokevirtual #9; //Method ClassReference$Person.speak:()V ，为了便于使用IBM的图，这里採用跟IBM一致的符号引用：invokevirtual #12; 。调用过程图例如以下所看到的：



(1)在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)依据this指针确定方法接收者(girl)的实际类型

(4)依据对象的实际类型得到该实际类型相应的方法表，依据偏移量15查看有无重写（override）该方法。假设重写。则能够直接调用；假设没有重写。则须要拿到依照继承关系从下往上的基类（这里是Person类）的方法表。同样依照这个偏移量15查看有无该方法。

接口引用调用invokeinterface

代码例如以下：

package org.fan.learn.methodTable;

/**
 * Created by fan on 2016/3/29.
 */
public class InterfaceReference {
    interface IDance {
        void dance();
    }

    static class Person {
        @Override
        public String toString() {
            return "I'm a person";
        }
        public void speak() {
            System.out.println("Person speak");
        }
        public void eat() {
            System.out.println("Person eat");
        }
    }

    static class Dancer extends Person implements IDance {
        @Override
        public String toString() {
            return "I'm a Dancer";
        }
        @Override
        public void speak() {
            System.out.println("Dancer speak");
        }
        public void dance() {
            System.out.println("Dancer dance");
        }
    }

    static class Snake implements IDance {
        @Override
        public String toString() {
            return "I'm a Snake";
        }
        public void dance() {
            System.out.println("Snake dance");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        IDance dancer = new Dancer();
        System.out.println(dancer);
        dancer.dance();
        //dancer.speak();
        //dancer.eat();
        IDance snake = new Snake();
        System.out.println(snake);
        snake.dance();
    }
}

上面的代码中dancer.speak(); dancer.eat(); 这两句同样不能调用。

运行结果例如以下所看到的：



其字节码指令例如以下所看到的：

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
   Stack=2, Locals=3, Args_size=1
   0:   new     #2; //class InterfaceReference$Dancer
   3:   dup
   4:   invokespecial   #3; //Method InterfaceReference$Dancer."<init>":()V
   7:   astore_1
   8:   getstatic       #4; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   11:  aload_1
   12:  invokevirtual   #5; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
   15:  aload_1
   16:  invokeinterface #6,  1; //InterfaceMethod InterfaceReference$IDance.dance:()V
   21:  new     #7; //class InterfaceReference$Snake
   24:  dup
   25:  invokespecial   #8; //Method InterfaceReference$Snake."<init>":()V
   28:  astore_2
   29:  getstatic       #4; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   32:  aload_2
   33:  invokevirtual   #5; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
   36:  aload_2
   37:  invokeinterface #6,  1; //InterfaceMethod InterfaceReference$IDance.dance:()V
   42:  return

从上面的字节码指令能够看到，dancer.dance(); 和snake.dance(); 的字节码指令都是invokeinterface #6, 1; //InterfaceMethod InterfaceReference$IDance.dance:()V 。

为什么invokeinterface指令会有两个參数呢？

对象的内存模型例如以下所看到的：



从上图能够看到IDance接口中的方法dance(）在Dancer类的方法表中的偏移量跟在Snake类的方法表中的偏移量是不一样的，因此无法仅依据偏移量来进行方法的调用。（这句话在理解时。要注意，仅仅是为了强调invokeinterface在查找方法时不再是基于偏移量来实现的，而是基于搜索的方式。

）应该这么说，dance方法在IDance方法表（假设有的话）中的偏移量与在Dancer方法表中的偏移量是不一样的。

因此，要在Dancer的方法表中找到dance方法，必须搜索Dancer的整个方法表。

以下写一个，假设Dancer中没有重写（override）toString方法，会发生什么？

代码例如以下：

package org.fan.learn.methodTable;

/**
 * Created by fan on 2016/3/29.
 */
public class InterfaceReference {
    interface IDance {
        void dance();
    }

    static class Person {
        @Override
        public String toString() {
            return "I'm a person";
        }
        public void speak() {
            System.out.println("Person speak");
        }
        public void eat() {
            System.out.println("Person eat");
        }
    }

    static class Dancer extends Person implements IDance {
//        @Override
//        public String toString() {
//            return "I'm a Dancer";
//        }
        @Override
        public void speak() {
            System.out.println("Dancer speak");
        }
        public void dance() {
            System.out.println("Dancer dance");
        }
    }

    static class Snake implements IDance {
        @Override
        public String toString() {
            return "I'm a Snake";
        }
        public void dance() {
            System.out.println("Snake dance");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        IDance dancer = new Dancer();
        System.out.println(dancer);
        dancer.dance();
        //dancer.speak();
        //dancer.eat();
        IDance snake = new Snake();
        System.out.println(snake);
        snake.dance();
    }
}

运行结果例如以下：



能够看到System.out.println(dancer); 调用的是Person的toString方法。

内存模型例如以下所看到的：

结束语

这篇博文讨论了invokevirtual和invokeinterface的内部实现的差别，以及override的实现原理。

下一步，打算讨论下invokevirtual的详细实现细节。如：怎样实现符号引用到直接引用的转换的？可能会看下OpenJDK底层的C++实现。

參考资料

• 周志明 《深入理解JAVA虚拟机》
• IBM 多态在 Java 和 C++ 编程语言中的实现比較