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Java技术——多态的实现原理

IceRainYWC
 IceRainYWC
发布于 01/03 22:02
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0.前言

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。

 

1Java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。

 

3JVM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。

 

4Java 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 invokestaticinvokespecialinvokesvirtual  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

 

[java] view plain copy

  1. class Person {   
  2.  public String toString(){   
  3.     return "I'm a person.";   
  4.      }   
  5.  public void eat(){}   
  6.  public void speak(){}   
  7.       
  8.  }   
  9.   
  10.  class Boy extends Person{   
  11.  public String toString(){   
  12.     return "I'm a boy";   
  13.      }   
  14.  public void speak(){}   
  15.  public void fight(){}   
  16.  }   
  17.   
  18.  class Girl extends Person{   
  19.  public String toString(){   
  20.     return "I'm a girl";   
  21.      }   
  22.  public void speak(){}   
  23.  public void sing(){}   
  24.  }  

 

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  Boy 在方法区中的方法表可表示如下:


 

可以看到,Girl  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()  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  Object中的任意一个方法,在它们的方法表和其子类 Girl  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:

[java] view plain copy

  1. class Party{   
  2. void happyHour(){   
  3. Person girl = new Girl();   
  4. girl.speak(); }   
  5. }  

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  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

[java] view plain copy

  1. interface IDance{   
  2.    void dance();   
  3.  }   
  4.   
  5.  class Person {   
  6.  public String toString(){   
  7.    return "I'm a person.";   
  8. }   
  9.  public void eat(){}   
  10.  public void speak(){}   
  11.       
  12.  }   
  13.   
  14.  class Dancer extends Person implements IDance {   
  15.  public String toString(){   
  16.    return "I'm a dancer.";   
  17.   }   
  18.  public void dance(){}   
  19.  }   
  20.   
  21.  class Snake implements IDance{   
  22.  public String toString(){   
  23.    return "A snake."; }   
  24.  public void dance(){   
  25.  //snake dance   
  26.      }   
  27.  }  

 

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。

本文转载自:http://blog.csdn.net/SEU_Calvin/article/details/52191321

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