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 {
@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()’”。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=1
0: new #2; //class ClassReference$Boy
3: dup
4: invokespecial #3; //Method ClassReference$Boy."":()V
7: astore_1
8: new #4; //class ClassReference$Girl
11: dup
12: invokespecial #5; //Method ClassReference$Girl."":()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$Person.speak:()V ，为了便于使用IBM的图，这里采用跟IBM一致的符号引用：invokevirtual #12; 。调用过程图如下所示：
(1)在常量池中找到方法调用的符号引用
(2)查看Person的方法表，得到speak方法在该方法表的偏移量（假设为15），这样就得到该方法的直接引用。
(3)根据this指针确定方法接收者(girl)的实际类型
(4)根据对象的实际类型得到该实际类型对应的方法表，根据偏移量15查看有无重写（override）该方法，如果重写，则可以直接调用；如果没有重写，则需要拿到按照继承关系从下往上的基类（这里是Person类）的方法表，同样按照这个偏移量15查看有无该方法。
接口引用调用invokeinterface
代码如下：
package org.fan.learn.methodTable;
/**
* Created by fan on 2016/3/29.
*/
public class InterfaceReference {
interface IDance {
void dance();
}
static class Person {
@Override
public String toString() {
return "I'm a person";
}
public void speak() {
System.out.println("Person speak");
}
public void eat() {
System.out.println("Person eat");
}
}
static class Dancer extends Person implements IDance {
@Override
public String toString() {
return "I'm a Dancer";
}
@Override
public void speak() {
System.out.println("Dancer speak");
}
public void dance() {
System.out.println("Dancer dance");
}
}
static class Snake implements IDance {
@Override
public String toString() {
return "I'm a Snake";
}
public void dance() {
System.out.println("Snake dance");
}
}
public static void main(String[] args) {
IDance dancer = new Dancer();
System.out.println(dancer);
dancer.dance();
//dancer.speak();
//dancer.eat();
IDance snake = new Snake();
System.out.println(snake);
snake.dance();
}
}
上面的代码中dancer.speak(); dancer.eat(); 这两句同样不能调用。
执行结果如下所示：
其字节码指令如下所示：
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
Stack=2, Locals=3, Args_size=1
0: new #2; //class InterfaceReference$Dancer
3: dup
4: invokespecial #3; //Method InterfaceReference$Dancer."":()V
7: astore_1
8: getstatic #4; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
11: aload_1
12: invokevirtual #5; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
15: aload_1
16: invokeinterface #6, 1; //InterfaceMethod InterfaceReference$IDance.dance:()V
21: new #7; //class InterfaceReference$Snake
24: dup
25: invokespecial #8; //Method InterfaceReference$Snake."":()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 {
@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();
}
}
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