Java 方法執(zhí)行時(shí)的動(dòng)態(tài)分派和靜態(tài)分派是 Java 實(shí)現(xiàn)多態(tài)的本質(zhì)

背景

Java 的動(dòng)態(tài)分派和靜態(tài)分派也是 Java 方法的執(zhí)行原理。 Java 源代碼的編譯之后，方法之間的調(diào)用是使用符號引用來表示的。當(dāng)字節(jié)碼被 JVM 加載之后，符號引用才會(huì)被替換為對應(yīng)方法在方法區(qū)的真實(shí)內(nèi)存地址。那么在替換之前，由于 Java 的方法重寫、重載，就導(dǎo)致符號引用對應(yīng)的方法可能是一個(gè)虛方法，那么方法的真實(shí)實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行時(shí)就可能有多個(gè)。

所以在將符號引用替換為真實(shí)地址時(shí)，還需要做一件事情：那就是確定符號引用要替換的方法的版本。

運(yùn)行時(shí)方法幀

與 C,C++ 一樣，JVM 在運(yùn)行時(shí)也會(huì)維護(hù)一個(gè)運(yùn)行棧，用于方法的調(diào)用和返回。當(dāng)調(diào)用一個(gè)方法時(shí)，會(huì)為方法在棧上分配一塊內(nèi)存區(qū)域作為方法的幀。方法調(diào)用幀又分為下面幾個(gè)區(qū)域：

局部變量表

存儲(chǔ)方法參數(shù)和方法體中的局部變量，其容量在編譯期就已確定。容量的最小單位是 variable slot(變量槽)。靜態(tài)方法的局部變量數(shù)就是方法體中聲明的變量數(shù)；實(shí)例方法的局部變量數(shù)會(huì)多一個(gè)，多出的一個(gè)就是我們平時(shí)在實(shí)例方法中訪問的this。this 其實(shí)是編譯器在編譯時(shí)悄悄加到實(shí)例方法上的，而且是作為第一個(gè)參數(shù)。

操作數(shù)棧

JVM 的字節(jié)碼指令執(zhí)行機(jī)制是基于棧的，所以需要一個(gè)棧來存儲(chǔ)字節(jié)碼指令的操作數(shù)。

Android 的 VM 是基于寄存器的，所以沒有操作棧區(qū)域。

Android VM 采用寄存器存儲(chǔ)操作數(shù)有兩個(gè)主要原因：1. 寄存器乃是 CPU 內(nèi)部的高速內(nèi)存, 讀寫寄存器是與 CPU 交互最快的方式。2. 智能手機(jī)多使用 ARM 架構(gòu)的 CPU, ARM 架構(gòu)的 CPU 有很多通用寄存器可使用。

動(dòng)態(tài)鏈接

方法體中調(diào)用其他方法時(shí)，會(huì)把將要調(diào)用的方法在常量池中的符號引用，轉(zhuǎn)化為將要其在方法區(qū)內(nèi)存中的開始地址信息，并儲(chǔ)存到動(dòng)態(tài)鏈接中。

方法返回地址

一個(gè)方法執(zhí)行完畢之后，線程需要值得回到哪里繼續(xù)執(zhí)行，方法返回地址就是存儲(chǔ)這個(gè)信息的。返回地址一般就是當(dāng)前方法的調(diào)用者的程序計(jì)數(shù)器的值(PC寄存器)。

正常完成出口: 方法正常返回時(shí)，如果有返回值，返回值會(huì)被壓入調(diào)用方法的操作數(shù)棧中 異常完成出口: 當(dāng)方法發(fā)生了異常，且在異常表中沒有找到匹配的異常處理流程時(shí)，方法將不會(huì)有返回值

方法調(diào)用

方法調(diào)用并不等同于方法執(zhí)行，方法調(diào)用階段唯一的任務(wù)就是確定被調(diào)用方法的版本（即調(diào)用哪一個(gè)方法）

調(diào)用方法的指令

有以下字節(jié)碼指令用于方法的調(diào)用:

指令 用途 說明 invokestatic 調(diào)用類的靜態(tài)方法 invokespecfical 調(diào)用對象的構(gòu)造函數(shù)和私有方法 invokevirtual 調(diào)用對象的 public/protected 的方法 可能通過繼承復(fù)寫的方法稱做 virtual method: 表示要到運(yùn)行時(shí)才能定位到真正的方法實(shí)現(xiàn)。通過符號引用確定虛方法直接引用的過程又叫做動(dòng)態(tài)分派 invokeinterface 調(diào)用接口的方法 具體的實(shí)現(xiàn)類將在調(diào)用時(shí)確定 invokedynamic JDK1.7 為了讓 JVM 支持動(dòng)態(tài)類型語言引入的指令 讓用戶可以決定如何查找目標(biāo)方法

符號引用到直接引用

由于 Java 的編譯沒有C C++ 編譯過程中的鏈接階段，所以 Class 文件中儲(chǔ)存的只是符號引用，等到了在運(yùn)行時(shí)才通過符號引用定位到方法區(qū)中方法代碼在內(nèi)存布局中的位置--直接引用。符號引用到直接引用的替換又涉及兩種方式。一種是解析，另一種是分派。解析發(fā)生在類加載的解析階段，分派發(fā)生在編譯或方法調(diào)用階段。

解析

在類加載的解析階段會(huì)把滿足「編譯期可知，運(yùn)行期不可變」的方法的符號引用替換為指向方法區(qū)的直接引用，不會(huì)延遲到運(yùn)行時(shí)再去完成。滿足編譯期可知，運(yùn)行期不可變的方法有：構(gòu)造函數(shù)、私有方法、靜態(tài)方法、final修飾的方法。不滿足上述條件的方法的符號引用替換發(fā)生在方法調(diào)用期間。

分派 Dispatch

多態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理

變量類型理解分派之前，需要先看兩個(gè)類型概念。比如：Object obj = new String('');

靜態(tài)類型

定義變量時(shí)，聲明的類型。比如這里 obj 的靜態(tài)類型就是 Object。靜態(tài)類型在編譯期的編譯器就能知道。

實(shí)際類型

變量賦值時(shí)的實(shí)際類型。比如這里 obj 的實(shí)際類型就是 String。實(shí)際類型在編譯期的編譯器是不可知的。

靜態(tài)分派

根據(jù)變量的「靜態(tài)類型(外觀類型)」匹配調(diào)用方法的過程稱為靜態(tài)分派。發(fā)生的場景為方法重載。如下代碼:

public class StaticDispatch { static abstract class Human { } static class Man extends Human { } static class Woman extends Human { } static class Child extends Human { } public void say(Human human) { System.out.println('human'); } public void say(Man man) { System.out.println('man'); } public void say(Woman woman) { System.out.println('woman'); } public void say(Child child) { System.out.println('child'); }}

public static void main(String[] args) { Human man = new Man(); Human woman = new Woman(); Human child = new Child(); StaticDispatch dispatch = new StaticDispatch(); dispatch.say(man); dispatch.say(woman); dispatch.say(child);}

main 方法的執(zhí)行結(jié)果:

humanhumanhuman

雖然 StaticDispatch 為每種 Human 的子類都重載了一個(gè) say 方法，但是由于重載采用的是靜態(tài)分派，是根據(jù)對象的靜態(tài)類型做方法匹配的。所以結(jié)果全都匹配到了 public void say(Human human) 方法。main 方法編譯之后的字節(jié)碼:

public static main([Ljava/lang/String;)V NEW method_invoke/StaticDispatch$Man DUP INVOKESPECIAL method_invoke/StaticDispatch$Man.<init> ()V ASTORE 1 NEW method_invoke/StaticDispatch$Woman DUP INVOKESPECIAL method_invoke/StaticDispatch$Woman.<init> ()V ASTORE 2 NEW method_invoke/StaticDispatch$Child DUP INVOKESPECIAL method_invoke/StaticDispatch$Child.<init> ()V ASTORE 3 NEW method_invoke/StaticDispatch DUP INVOKESPECIAL method_invoke/StaticDispatch.<init> ()V ASTORE 4 // 下面為調(diào)用 say ALOAD 4 ALOAD 1 INVOKEVIRTUAL method_invoke/StaticDispatch.say (Lmethod_invoke/StaticDispatch$Human;)V ALOAD 4 ALOAD 2 INVOKEVIRTUAL method_invoke/StaticDispatch.say (Lmethod_invoke/StaticDispatch$Human;)V ALOAD 4 ALOAD 3 INVOKEVIRTUAL method_invoke/StaticDispatch.say (Lmethod_invoke/StaticDispatch$Human;)V RETURN

從字節(jié)碼也能看到，編譯器確實(shí)是按照靜態(tài)分派選擇了匹配靜態(tài)類型的 StaticDispatch.say(LStaticDispatch$Human;)V 方法，而沒有按照變量的實(shí)際類型去匹配重載的方法。

public class Overload { public static void out(char a) { System.out.println('char ' + a); } public static void out(int a) {System.out.println('int ' + a);} public static void out(long a) { System.out.println('long ' + a); } public static void out(float a) { System.out.println('float ' + a); } public static void out(double a) { System.out.println('double ' + a); } public static void out(Integer a) { System.out.println('integer'); } public static void out(Character a) { System.out.println('character'); } public static void out(Serializable a) { System.out.println('serializable ' + a); } public static void out(Comparable a) { System.out.println('comparable ' + a); } public static void out(Object a) { System.out.println('object ' + a); } public static void out(char... a) { System.out.println('char ... ' + Arrays.toString(a)); } public static void main(String[] args) { out(’c’); }}

這段代碼也是一個(gè)靜態(tài)分派的例子，編譯器會(huì)選擇參數(shù)類型做合適的函數(shù)去調(diào)用。可以注釋掉所有 out 函數(shù)，留下 out(Serializable a)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)程序也能成功編譯和運(yùn)行。如果留下Serializeable 和 Comparable 編譯則會(huì)失敗，提示對 out 的引用不明確。

動(dòng)態(tài)分派

根據(jù)變量的「實(shí)際類型」匹配調(diào)用方法的過程稱為動(dòng)態(tài)分派。發(fā)生的場景為方法重寫。當(dāng)調(diào)用一個(gè)可能被子類重寫或繼承的方法時(shí)，就會(huì)觸發(fā)動(dòng)態(tài)分派。

public class DynamicDispatch { static class Human { public void say() { System.out.println('human'); } } static class Man extends Human { @Override public void say() { System.out.println('man'); } } static class Woman extends Human { @Override public void say() { System.out.println('woman'); } }}

public static void main(String[] args) { Human human = new Human(); Human man = new Man(); Human woman = new Woman(); human.say(); man.say(); woman.say();}

main 方法的執(zhí)行結(jié)果:

humanmanwoman

意料之中，所謂的多態(tài)就是這樣。那多態(tài)是如何實(shí)現(xiàn)的？

其實(shí)多態(tài)的實(shí)現(xiàn)過程也就是確定被重寫的方法版本的過程。main 方法編譯之后的字節(jié)碼:

public static main([Ljava/lang/String;)V NEW method_invoke/DynamicDispatch$Human DUP INVOKESPECIAL method_invoke/DynamicDispatch$Human.<init> ()V ASTORE 1 NEW method_invoke/DynamicDispatch$Man DUP INVOKESPECIAL method_invoke/DynamicDispatch$Man.<init> ()V ASTORE 2 NEW method_invoke/DynamicDispatch$Woman DUP INVOKESPECIAL method_invoke/DynamicDispatch$Woman.<init> ()V ASTORE 3 // 下面為多態(tài)調(diào)用 say ALOAD 1 INVOKEVIRTUAL method_invoke/DynamicDispatch$Human.say ()V ALOAD 2 INVOKEVIRTUAL method_invoke/DynamicDispatch$Human.say ()V ALOAD 3 INVOKEVIRTUAL method_invoke/DynamicDispatch$Human.say ()V RETURN

這里通過字節(jié)碼感覺都會(huì)調(diào)用Hunman#say方法的，但是運(yùn)行之后并不是。

當(dāng) JVM 執(zhí)行這兩行字節(jié)碼時(shí):

ALOAD 1 // 由上面 ASTORE 1 可知, 局部變量表的第一個(gè)變量是 Woman 的對象INVOKEVIRTUAL method_invoke/DynamicDispatch$Human.say ()V// INVOKEVIRTUAL 指令就會(huì)到 Woman 類中去尋找 say 方法

調(diào)用 say 方法時(shí)，JVM 會(huì)先去當(dāng)前調(diào)用的對象的類中查找是否存在和目標(biāo)方法的描述符、簡單名稱一樣的方法，如果存在則將符號引用替換為找到的方法的直接引用，否則就向父類去查找，向父類的父類去查找..., 直到最后找不到拋出NoSuchMethod異常。

Human 的 say 方法的簽名:

public void say(); descriptor: ()V

Woman 的 say 方法的簽名:

public void say(); descriptor: ()V

可見 Woman 類的 Human 類中的 say 方法的描述符和簡單名稱是一樣的，所以 JVM 會(huì)優(yōu)先匹配 Woman 類中的方法。這也是多態(tài)調(diào)用的底層邏輯。

到此這篇關(guān)于Java的動(dòng)態(tài)分派和靜態(tài)分派的實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java 動(dòng)態(tài)分派和靜態(tài)分派內(nèi)容請搜索好吧啦網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持好吧啦網(wǎng)！