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技术 2022年11月15日
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Java 中多态的另一个语法实现是重写。重载是通过静态分派实现的,重写则是通过动态分派实现的。

在学习动态分派之前,需要对虚拟机的知识有一个初步的了解。

虚拟机运行时数据区

运行 Java 程序时,虚拟机先加载编译后的 .class 文件,然后根据文件内容来构建运行时数据区。关于 .class 文件的内容可以参考本书的第六章。

这里需要关心的是线程私有的虚拟机栈。每个线程都有自己的虚拟机栈,两者的生命周期相同。栈中的每个数据存储单元称为栈帧,栈帧里面存储的内容主要有:局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口。每个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程,就对应每个方法从调用开始至执行完成的过程。栈顶表示当前栈帧,也就是正在执行的方法。

局部变量表保存的是在方法中定义的局部变量和方法参数。

操作数栈简称为操作栈,当方法开始执行时,操作栈是空的,然后将各种字节码指令写入或者取出操作栈,也就是出栈入栈操作,操作栈对应的是方法的具体执行。

那么关于多态重写的部分,我们只关心方法的调用,即虚拟机是如何根据继承链上不同的对象来找到相应的方法呢?下面通过书中的示例进一步了解方法的调用。

动态分派

public class DynamicDispatch {
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();
man = new Woman();
man.sayHello();
}
}

这段代码的的输出就不贴了,但是要了解方法的调用,可以简要的查看一下这段代码的字节码,了解关键部分的字节码指令即可。下面是使用javap -verbose DynamicDispatch命令输出的字节码中 main()方法的提取:

 public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
// 创建一个对象,并将其引用值压入栈顶,注意指的是操作栈
// 这里是一个 Man 的实例
0: new #2 // class jvmlearn/DynamicDispatch$Man
// 复制栈顶数值并将复制值压入栈顶,上一步创建的对象的引用
// 注意:因为下面的 invokespecial 指令会取出栈顶的创建的对象引用
3: dup
// 调用超类构造方法,实例初始化方法,私有方法
// 也就是 Man 的父类 Human,这条暂时不用关心
4: invokespecial #3 // Method jvmlearn/DynamicDispatch$Man."<init>":()V
// 将栈顶引用型数值存入第二个本地变量,可以往下翻,找到 LocalVariableTable
// 第二行就是变量 man
7: astore_1
// 这里创建的是 Woman 的实例
8: new #4 // class jvmlearn/DynamicDispatch$Woman
// 同样将引用值压入栈顶
11: dup
// 同样调用父类的初始化方法
12: invokespecial #5 // Method jvmlearn/DynamicDispatch$Woman."<init>":()V
// 将引用值存到局部变量表的第三个变量,也就是 woman
15: astore_2
// 将第二个引用类型本地变量推送至栈顶
// 也就是 man
16: aload_1
// 调用实例方法
// 这一步很关键,可以看到实际调用的是 man 的方法
// 指令后面的 #6 表示常量池的第 6 项常量作为参数,后面的注释可以看到是 Human.sayHello() 方法的符号引用
17: invokevirtual #6 // Method jvmlearn/DynamicDispatch$Human.sayHello:()V
// 将第三个引用类型本地变量推送至栈顶
// 也就是 woman
20: aload_2
// 调用实例方法,也就是 woman 变量
// 可以看到,两次调用方法的指令是一样的
// 不同的地方只是实例不同
21: invokevirtual #6 // Method jvmlearn/DynamicDispatch$Human.sayHello:()V
// 这一步又创建了一个 Woman 实例,将引用值压入栈顶
24: new #4 // class jvmlearn/DynamicDispatch$Woman
// 复制引用并压入栈顶
27: dup
// 调用父类的初始化方法
28: invokespecial #5 // Method jvmlearn/DynamicDispatch$Woman."<init>":()V
// 将引用值存入第二个本地变量
31: astore_1
// 将引用类型的第二个本地推送至栈顶
32: aload_1
// 调用实例方法,可以看到和前面字节码行号为 17 的指令行,从指令到参数都一样
// 而最终执行的目标方法却不一样
33: invokevirtual #6 // Method jvmlearn/DynamicDispatch$Human.sayHello:()V
// 从当前方法返回 void
36: return
LineNumberTable:
// 行号表,前面是源码行号,后面是字节码行号,可以看到上面的字节码指令的前面都有数字
line 33: 0
// eg. 源码的第 33 行,对应字节码的第 0 行
line 34: 8
line 35: 16
line 36: 20
line 37: 24
line 38: 32
line 39: 36
LocalVariableTable:
// 局部变量表
Start Length Slot Name Signature
0 37 0 args [Ljava/lang/String;
8 29 1 man Ljvmlearn/DynamicDispatch$Human;
16 21 2 woman Ljvmlearn/DynamicDispatch$Human;

调用实例方法的指令是invokevirtual,重写就是通过该指令实现的,该指令的多态查找过程如下:

  1. 找出操作栈顶元素所指向的对象的实际类型,记作 C;
  2. 如果在类型 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. 如果上一步没找到,则按照继承关系从下往上依次对 C 的各个父类进行第 2 步的操作;
  4. 如果最终没有找到合适的方法,则抛出java.lang.AbstractMethodError异常

由于invokevirtual指令执行的第一步就是在运行器确定接收者的实际类型,所以两次调用中的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,这就是 Java 中重写的本质。

参考

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