java方法调用之动态调用多态（重写override）的实现原理—

转自：http://blog.csdn.net/fan2012huan/article/details/51007517

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较。这里写一遍主要是加深自己的理解，方便以后查看，加入了一些自己的见解及行文组织，不是出于商业目的，如若需要下线，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。因为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。多态允许基类的引用指向派生类的对象，而在具体访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，但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。类引用调用只需要修改方法表的指针就可以实现动态绑定（具有相同签名的方法，在父类、子类的方法表中具有相同的索引号），而接口引用调用需要扫描整个方法表才能实现动态绑定（因为，一个类可以实现多个接口，另外一个类可能只实现一个接口，无法具有相同的索引号。这句如果没有看懂，继续往下看，会有例子。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，还是不明白，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源代码编译成class文件，在编译过程中，会根据静态类型将调用的符号引用写到class文件中。在执行时，JVM根据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，然后根据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，如果在实际类型的方法表中找到该方法，则直接调用，否则，按照继承关系从下往上搜索。
下面对上面的描述做具体的分析讨论。

JVM的运行时结构

从上图可以看出，当程序运行时，需要某个类时，类载入子系统会将相应的class文件载入到JVM中，并在内部建立该类的类型信息，这个类型信息其实就是class文件在JVM中存储的一种数据结构，他包含着java类定义的所有信息，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。这个类型信息就存储在方法区。
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。
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所有方法及指向方法代码的指针。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。

类引用调用invokevirtual

代码如下：

package org.fan.learn.methodTable;/*** Created by fan on 2016/3/30.*/
public class ClassReference {static class Person {@Overridepublic 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{@Overridepublic String toString(){return "I'm a boy";}@Overridepublic void speak(){System.out.println("Boy speak");}public void fight(){System.out.println("Boy fight");}}static class Girl extends Person{@Overridepublic String toString(){return "I'm a girl";}@Overridepublic 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()’”。因为，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。
执行结果如下：

从上图可以看到，boy.eat() 和 girl.eat() 调用产生的输出都是”Person eat”，因为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=10:   new     #2; //class ClassReference$Boy3:   dup4:   invokespecial   #3; //Method ClassReference$Boy."<init>":()V7:   astore_18:   new     #4; //class ClassReference$Girl11:  dup12:  invokespecial   #5; //Method ClassReference$Girl."<init>":()V15:  astore_216:  getstatic       #6; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;19:  aload_120:  invokevirtual   #7; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V23:  aload_124:  invokevirtual   #8; //Method ClassReference$Person.eat:()V27:  aload_128:  invokevirtual   #9; //Method ClassReference$Person.speak:()V31:  getstatic       #6; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;34:  aload_235:  invokevirtual   #7; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V38:  aload_239:  invokevirtual   #8; //Method ClassReference$Person.eat:()V42:  aload_243:  invokevirtual   #9; //Method ClassReference$Person.speak:()V46:  return

其中所有的invokevirtual调用的都是Person类中的方法。

下面看看java对象的内存模型：

从上图可以清楚地看到调用方法的指针指向。而且可以看出相同签名的方法在方法表中的偏移量是一样的。这个偏移量只是说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类中的相同方法的偏移量是一样的，与Girl是没有任何关系的。

下面再看看调用过程，以girl.speak() 方法的调用为例。在我的字节码中，这条指令对应43: invokevirtual #9; //Method ClassReference$Person.speak:()V ，为了便于使用IBM的图，这里采用跟IBM一致的符号引用：invokevirtual #12; 。调用过程图如下所示：

(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)根据this指针确定方法接收者(girl)的实际类型
(4)根据对象的实际类型得到该实际类型对应的方法表，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；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。

接口引用调用invokeinterface

代码如下：

package org.fan.learn.methodTable;/*** Created by fan on 2016/3/29.*/
public class InterfaceReference {interface IDance {void dance();}static class Person {@Overridepublic 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 {@Overridepublic String toString() {return "I'm a Dancer";}@Overridepublic void speak() {System.out.println("Dancer speak");}public void dance() {System.out.println("Dancer dance");}}static class Snake implements IDance {@Overridepublic 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。
执行结果如下所示：

其字节码指令如下所示：

public static void main(java.lang.String[]);Code:Stack=2, Locals=3, Args_size=10:   new     #2; //class InterfaceReference$Dancer3:   dup4:   invokespecial   #3; //Method InterfaceReference$Dancer."<init>":()V7:   astore_18:   getstatic       #4; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;11:  aload_112:  invokevirtual   #5; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V15:  aload_116:  invokeinterface #6,  1; //InterfaceMethod InterfaceReference$IDance.dance:()V21:  new     #7; //class InterfaceReference$Snake24:  dup25:  invokespecial   #8; //Method InterfaceReference$Snake."<init>":()V28:  astore_229:  getstatic       #4; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;32:  aload_233:  invokevirtual   #5; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V36:  aload_237:  invokeinterface #6,  1; //InterfaceMethod InterfaceReference$IDance.dance:()V42:  return

从上面的字节码指令可以看到，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指令会有两个参数呢？

对象的内存模型如下所示：

从上图可以看到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，因此无法仅根据偏移量来进行方法的调用。（这句话在理解时，要注意，只是为了强调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（如果有的话）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。

下面写一个，如果Dancer中没有重写（override）toString方法，会发生什么？
代码如下：

package org.fan.learn.methodTable;/*** Created by fan on 2016/3/29.*/
public class InterfaceReference {interface IDance {void dance();}static class Person {@Overridepublic 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";
//        }@Overridepublic void speak() {System.out.println("Dancer speak");}public void dance() {System.out.println("Dancer dance");}}static class Snake implements IDance {@Overridepublic 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();}
}

执行结果如下：

可以看到System.out.println(dancer); 调用的是Person的toString方法。
内存模型如下所示：

结束语

这篇博文讨论了invokevirtual和invokeinterface的内部实现的区别，以及override的实现原理。下一步，打算讨论下invokevirtual的具体实现细节，如：如何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。

参考资料

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较