Java的多态（深入版）

前言

面向对象的三大特性：封装、继承、多态。在这三个特性中，如果没有封装和继承，也不会有多态。

那么多态实现的途径和必要条件是什么呢？以及多态中的重写和重载在JVM中的表现是怎么样？

（若文章有不正之处，或难以理解的地方，请多多谅解，欢迎指正）

多态

多态是同一个行为具有多个不同表现形式或形态的能力。

举个栗子，一只鸡可以做成白切鸡、豉油鸡、吊烧鸡、茶油鸡、盐焗鸡、葱油鸡、手撕鸡、清蒸鸡、叫花鸡、啤酒鸡、口水鸡、香菇滑鸡、盐水鸡、啫啫滑鸡、鸡公煲等等。

多态实现的必要条件

用上面的“鸡的十八种吃法“来举个栗子。

首先，我们先给出一只鸡：

class Chicken{
    public void live(){
        System.out.println("这是一只鸡");
    }
}

1. 子类必须继承父类

对于子类必须继承父类，小编个人认为，是因为按照面向对象的五大基本原则所说的中的依赖倒置原则：抽象不依赖于具体，具体依赖于抽象。既然要实现多态，那么必定有一个作为"抽象"类来定义“行为”，以及若干个作为"具体"类来呈现不同的行为形式或形态。

所以我们给出的一个具体类——白切鸡类：

class BaiqieChicken extends Chicken{ }

但仅是定义一个白切鸡类是不够的，因为在此我们只能做到复用父类的属性和行为，而没有呈现出行为上的不同的形式或形态。

2. 必须有重写

重写，简单地理解就是重新定义的父类方法，使得父类和子类对同一行为的表现形式各不相同。我们用白切鸡类来举个栗子。

class BaiqieChicken extends Chicken{ 
    public void live(){
        System.out.println("这是一只会被做成白切鸡的鸡");
    }
}

这样就实现了重写，鸡类跟白切鸡类在live()方法中定义的行为不同，鸡类是一只命运有着无限可能的鸡，而白切鸡类的命运就是做成一只白切鸡。

但是为什么还要有“父类引用指向子类对象”这个条件呢？

3. 父类引用指向子类对象

其实这个条件是面向对象的五大基本原则里面的里氏替换原则，简单说就是父类可以引用子类，但不能反过来。

当一只鸡被选择做白切鸡的时候，它的命运就不是它能掌控的。

Chicken c = new BaiqieChicken();
c.live();

运行结果：

这是一只会被做成白切鸡的鸡

为什么要有这个原则？因为父类对于子类来说，是属于“抽象”的层面，子类是“具体”的层面。“抽象”可以提供接口给“具体”实现，但是“具体”凭什么来引用“抽象”呢？而且“子类引用指向父类对象”是不符合“依赖倒置原则”的。

当一只白切鸡想回头重新选择自己的命运，抱歉，它已经在锅里，逃不出去了。

BaiqieChicken bc = new Chicken();  //这句是运行不了的
bc.live();

多态的实现途径

多态的实现途径有三种：重写、重载、接口实现，虽然它们的实现方式不一样，但是核心都是：同一行为的不同表现形式。

1. 重写

重写，指的是子类对父类方法的重新定义，但是**子类方法的参数列表和返回值类型，必须与父类方法一致！**所以可以简单的理解，重写就是子类对父类方法的核心进行重新定义。

举个栗子：

class Chicken{
    public void live(String lastword){
        System.out.println(lastword);
    }
}
class BaiqieChicken extends Chicken{
    public void live(String lastword){
        System.out.println("这只白切鸡说：");
        System.out.println(lastword);
    }
}

这里白切鸡类重写了鸡类的live()方法，为什么说是重写呢？因为白切鸡类中live()方法的参数列表和返回值与父类一样，但方法体不一样了。

2. 重载

重载，指的是在一个类中有若干个方法名相同，但参数列表不同的情况，返回值可以相同也可以不同的方法定义场景。也可以简单理解成，同一行为（方法）的不同表现形式。

举个栗子：

class BaiqieChicken extends Chicken{
    public void live(){
        System.out.println("这是一只会被做成白切鸡的鸡");
    }
    public void live(String lastword){
        System.out.println("这只白切鸡说：");
        System.out.println(lastword);
    }
}

这里的白切鸡类中的两个live()方法，一个无参一个有参，它们对于白切鸡类的live()方法的描述各不相同，但它们的方法名都是live。通俗讲，它们对于白切鸡鸡生的表现形式不同。

3. 接口实现

接口，是一种无法被实例化，但可以被实现的抽象类型，是抽象方法的集合，多用作定义方法集合，而方法的具体实现则交给继承接口的具体类来定义。所以，接口定义方法，方法的实现在继承接口的具体类中定义，也是对同一行为的不同表现形式。

interface Chicken{
    public void live();
}
class BaiqieChicken implements Chicken{
    public void live(){
        System.out.println("这是一只会被做成白切鸡的鸡");
    }
}
class ShousiChicken implements Chicken{
    public void live(){
        System.out.println("这是一只会被做成手撕鸡的鸡");
    }
}

从上面我们可以看到，对于鸡接口中的live()方法，白切鸡类和手撕鸡类都有自己对这个方法的独特的定义。

在虚拟机中多态如何表现

前文我们知道，java文件在经过javac编译后，生成class文件之后在JVM中再进行编译后生成对应平台的机器码。而JVM的编译过程中体现多态的过程，在于选择出正确的方法执行，这一过程称为方法调用。

方法调用的唯一任务是确定被调用方法的版本，暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。（注：方法调用不等于方法执行）

在介绍多态的重载和重写在JVM的实现之前，我们先简单了解JVM提供的5条方法调用字节码指令：

invokestatic：调用静态方法。
invokespecial：调用实例构造器方法、私有方法和父类方法。
invokevirtual：调用所有的虚方法（这里的虚方法泛指除了invokestatic、invokespecial指令调用的方法，以及final方法）。
invokeinterface：调用接口方法，会在运行时再确定一个实现此接口的对象。
invokedynamic：先在运行时动态解析出调用点限定符所应用的方法（说人话就是用于动态指定运行的方法）。

而方法调用过程中，在编译期就能确定下来调用方法版本的静态方法、实例构造器方法、私有方法、父类方法和final方法（虽是由invokevirtual指令调用）在编译期就已经完成了运行方法版本的确定，这是一个静态的过程，也称为解析调用。

而分派调用则有可能是静态的也可能是动态的，可能会在编译期发生或者运行期才确定运行方法的版本。

而分派调用的过程与多态的实现有着紧密联系，所以我们先了解一下两个概念：

静态分派：所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作。
动态分派：根据运行期实际类型来定位方法执行版本的分派动作。

1. 重载

我们先看看这个例子：

public class StaticDispatch {
    static abstract class Human{ }
    static class Man extends Human{}
    static class Woman extends Human{}
    
    public void sayHello(Human guy){
        System.out.println("hello, guy!");
    }
    public void sayHello(Man guy){
        System.out.println("hello, gentleman!");
    }
    public void sayHello(Woman guy){
        System.out.println("hello, lady!");
    }

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

想想以上代码的运行结果是什么？3，2，1，运行结果如下：

hello, guy!
hello, guy!

为什么会出现这样的结果？让我们来看这行代码：

Human man = new Man();

根据里氏替换原则，子类必须能够替换其基类，也就是说子类相对于父类是“具体类”，而父类是处于“奠定”子类的基本功能的地位。

所以，我们把上面代码中的“Human”称为变量man的静态类型（Static Type），而后面的"Man"称为变量的实际类型（Actual Type），二者的区别在于，静态类型是在编译期可知的；而实际类型的结果在运行期才能确定，编译期在编译程序时并不知道一个对象的实际类型是什么。

在了解了这两个概念之后，我们来看看字节码文件是怎么说的：

javap -verbose StaticDispatch.class

我们看到，图中的黄色框的invokespecial指令以及标签，我们可以知道这三个是指令是在调用实例构造器方法。同理，下面两个红色框的invokevirtual指令告诉我们，这里是采用分派调用的调用虚方法，而且入参都是“Human”。

因为在分派调用的时候，使用哪个重载版本完全取决于传入参数的数量和数据类型。而且，虚拟机（准确说是编译期）在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判断依据，并且静态类型是编译期可知的。

所以，在编译阶段，Javac编译期就会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本。重载是静态分派的经典应用。

2. 重写

我们还是用上面的例子：

public class StaticDispatch {
    static abstract class Human{
        protected abstract void sayHello();
    }
    static class Man extends Human{
        @Override
        protected void sayHello() {
            System.out.println("man say hello");
        }
    }
    static class Woman extends Human{
        @Override
        protected void sayHello() {
            System.out.println("woman say hello");
        }
    }
    public static void main(String[] args){
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        man.sayHello();
        woman.sayHello();
    }
}

其运行结果为：

man say hello
woman say hello

相信你看到这里也会会心一笑，这一看就很明显嘛，重写是按照实际类型来选择方法调用的版本嘛。先别急，我们来看看它的字节码：

嘶…这好像跟静态分派的字节码一样啊，但是从运行结果看，这两句指令最终执行的目方法并不相同啊，那原因就得从invokevirtual指令的多态查找过程开始找起。

我们来看看invokevirtual指令的运行时解析过程的步骤：

1. 找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的实际类型，记作C。
2. 如果在在类型C中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
3. 否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

我们可以看到，由于invokevirtual指令在执行的第一步就是在运行期确定接收者的实际类型，所以字节码中会出现invokevirtual指令把常量池中的类方法符号引用解析到了不同的直接引用上，这个就是Java重写的本质。

总结一下，重载的本质是在编译期就会根据参数的静态类型来决定重载方法的版本，而重写的本质在运行期确定接收者的实际类型。

结语

坚持写技术文章的确是一件不容易的事情。现在技术更新越来越快，但是依然想把基础再打牢一点。

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参考资料：

Java多态性理解

从虚拟机指令执行的角度分析JAVA中多态的实现原理

《深入理解Java虚拟机》

本文已授权发布在微信公众号：Java后端。