Java 的多態(tài)在 JVM 里原來(lái)是這樣的

作者：侯樹(shù)成 2020-05-26 08:52:36

云計(jì)算

虛擬化 面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言里，「多態(tài)」是一個(gè)至關(guān)重要的概念。我們常說(shuō)，面向?qū)ο蟮谋举|(zhì)，是方法與數(shù)據(jù)的綁定。那對(duì)于一個(gè)擁有繼承關(guān)系的類之間，方法的綁定，是終是子類「重寫(xiě)」父類的方法，通過(guò)父類的引用指向子類的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的多態(tài)。

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 多態(tài)

面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言里，「多態(tài)」是一個(gè)至關(guān)重要的概念。我們常說(shuō)，面向?qū)ο蟮谋举|(zhì)，是方法與數(shù)據(jù)的綁定。那對(duì)于一個(gè)擁有繼承關(guān)系的類之間，方法的綁定，是終是子類「重寫(xiě)」父類的方法，通過(guò)父類的引用指向子類的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的多態(tài)。

說(shuō)起來(lái)比較繞，我們先以僅次于Hello World 著名的 「動(dòng)物 - 狗」代碼來(lái)說(shuō)明多態(tài)，然后再來(lái)分析在 JVM 層面，多態(tài)是怎樣實(shí)現(xiàn)的。

  
 
 
 

   
  
  
  
package com.example.demo;
   
  
  
  
public class Demo {
   
  
  
  
    public static void main(String[] args) {
   
  
  
  
        Animal a = new Animal();
   
  
  
  
        a.say();
   
  
  
  
        Dog d = new Dog();
   
  
  
  
        d.say();
   
  
  
  
        Animal ad = new Dog();
   
  
  
  
        ad.say();
   
  
  
  
    }
   
  
  
  
}
   
  
  
  
class Animal {
   
  
  
  
    public void say() {
   
  
  
  
        System.out.println("Animal say");
   
  
  
  
    }
   
  
  
  
    public void play() {
   
  
  
  
        System.out.println("play...");
   
  
  
  
    }
   
  
  
  
}
   
  
  
  
class Dog extends Animal {
   
  
  
  
    public void say() {
   
  
  
  
        System.out.println("Dog say");
   
  
  
  
    }
   
  
  
  
}
  
 
 
 

輸出的內(nèi)容對(duì)于習(xí)慣了面向?qū)ο蟮?Java 開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)都比較熟悉

  
 
 
 

   
  
  
  
Animal say
   
  
  
  
Dog say
   
  
  
  
Dog say
  
 
 
 

那虛擬機(jī)是怎樣知道到底要調(diào)用 Animal 的 say 還是 Dog 的say呢?

咱們從字節(jié)碼的層面來(lái)看一下。

  
 
 
 

   
  
  
  
0 new #2 
   
  
  
  
 3 dup
   
  
  
  
 4 invokespecial #3 >
   
  
  
  
 7 astore_1
   
  
  
  
 8 aload_1
   
  
  
  
 9 invokevirtual #4 
   
  
  
  
12 new #5 
   
  
  
  
15 dup
   
  
  
  
16 invokespecial #6 >
   
  
  
  
19 astore_2
   
  
  
  
20 aload_2
   
  
  
  
21 invokevirtual #7 
   
  
  
  
24 new #5 
   
  
  
  
27 dup
   
  
  
  
28 invokespecial #6 >
   
  
  
  
31 astore_3
   
  
  
  
32 aload_3
   
  
  
  
33 invokevirtual #4 
   
  
  
  
36 return
  
 
 
 

你發(fā)現(xiàn)沒(méi)有，在字節(jié)碼的第9行，和第33行，分別對(duì)應(yīng)到 d.say() 和 ad.say() ,但指令內(nèi)容其實(shí)是一樣的。這就神奇了。

在這兩個(gè)方法執(zhí)行前，第8行和第32行，會(huì)有一個(gè)aload的操作，是把這兩個(gè)對(duì)象的引用 壓到棧頂，給后面的操作用。這兩個(gè)對(duì)象，一般也被稱為方法的接收者(Receiver)，如果熟悉 Golang等語(yǔ)言的朋友，對(duì)這個(gè)概念也不陌生。

從9行和第33行看，無(wú)論是方法調(diào)用的字節(jié)碼指令還是參數(shù)，都指向了常量池的第4項(xiàng)。都是一樣的，但最終結(jié)果并不相同。這里的重點(diǎn)在于 invokevirtual 這個(gè)指令的多態(tài)指行查找過(guò)程，即根據(jù)對(duì)象的 vtable 在運(yùn)行時(shí)定位方法。

啥是 vtable?

前面的內(nèi)容提到指令執(zhí)行時(shí)從棧頂獲取當(dāng)前方法的「接收者」，通過(guò)invokerirtual 來(lái)執(zhí)行這個(gè)接者者對(duì)應(yīng)的方法。 注意這里的 virtual，和C++的虛方法類似。這個(gè)咱們不提，只說(shuō)Java 的。

對(duì)象都有一個(gè)自己的「方法表」，這個(gè)表里除了自己的方法，還有從父類繼承來(lái)的方法，甚至重寫(xiě)的父類的方法。所以，對(duì)應(yīng)于重寫(xiě)與重載，體現(xiàn)在方法表里也有所區(qū)別。每個(gè)子類繼承父類的時(shí)候，都將直接復(fù)制一份父類的方法表，而對(duì)于父類方法的重寫(xiě)，會(huì)直接更新方法表里相同順序的這個(gè)方法。

而重載，本質(zhì)上由于簽名及參數(shù)的區(qū)別，是一個(gè)新的方法，在方法表里會(huì)是新增一個(gè)元素。

這里的這個(gè)方法表，就是咱們說(shuō)的 vtable(Virtual Method Table)，表里的每個(gè)方法，對(duì)應(yīng)的是它的實(shí)際執(zhí)行入口地址。如果沒(méi)有重寫(xiě)，那父類和子類的地址是一樣的，都指向父類的實(shí)現(xiàn)。

如果子類重寫(xiě)之后，子類方法表里的這個(gè)方法的地址就指向了自己實(shí)現(xiàn)的版本。

而我們上面字節(jié)碼處觀察到的，兩個(gè) invokevirtual 對(duì)應(yīng)的常量池索引序號(hào)是一樣的，這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)于變換實(shí)現(xiàn)類型時(shí)，查找方法表只需要換個(gè)對(duì)象，索引依舊相同。

觀察

為了便于 Attach 到 Java 進(jìn)程，可以在代碼里加下 latch 進(jìn)行 awiat 阻塞，啟動(dòng) SA 就能觀察了。

選擇 ClassBrowser

在 Class列表里就能找到咱們上面創(chuàng)建的對(duì)象。@ 符號(hào)后面是這個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址。復(fù)制上Dog的地址，再?gòu)牟藛卫镞x擇Inspector，

你看 _vtable_len: 7

這是告訴我們 vtable 長(zhǎng)度是7，里面有7個(gè)方法。

實(shí)際上咱們?cè)谶@個(gè)類里只重寫(xiě)了父類 Animal 的 say方法，其它的是從 Animal 繼承來(lái)的 play方法，以及超類 Object 里的 5個(gè)方法，大概這個(gè)樣子

JVM 在首次加載類的時(shí)候，會(huì)解析類內(nèi)包含的方法，方法解析之后就會(huì)計(jì)算當(dāng)前類 vtable的大小。

可能你會(huì)問(wèn)，Object 類內(nèi)不止5個(gè)方法，為什么只算5個(gè)呢?而且我們新增其它static、 final 這一類的方法呢?

這里 vtable 只計(jì)算非static final 的，全部計(jì)算完就得出了vtable_len這個(gè)值。

每個(gè) Java 的 Class 在 JVM 內(nèi)部都會(huì)有一個(gè)自己的instanceKlass， vtable就分配在這個(gè)的最后。

整個(gè)instanceKlass的大小，在64位系統(tǒng)里大小是 0x1b8，記住它，后面用的著。 所以咱們上面看到了Dog 類的內(nèi)存地址，繼續(xù)找就能看到他其它方法對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址。

在Windows -> console 里執(zhí)行這個(gè)：

  
 
 
 

   
  
  
  
mem 0x7C0060DD0 7
  
 
 
 

這個(gè)值怎么來(lái)的呢?是從對(duì)象的內(nèi)存地址開(kāi)始，加上 instanceKlass的大小。

  
 
 
 

   
  
  
  
0x7C0060DD0   =  0x00000007c0060c18 + 0x1b8
  
 
 
 

由于我們有7個(gè)方法，所以順序查找7個(gè)地址。

所以你應(yīng)該也發(fā)現(xiàn)了，Java 里對(duì)應(yīng)這種重寫(xiě)的方法，是在類加載的時(shí)候，才能知道具體對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)方法，因此也被稱為動(dòng)態(tài)綁定或者遲綁定。

總結(jié)起來(lái)，這里的 vtable，相當(dāng)于你的工具清單，有什么能力都做了羅列，像鋼鐵俠的各項(xiàng)技能，每個(gè)功能指向具體的超能力，在我們代碼里可以把它理解成一個(gè)數(shù)組，數(shù)組的每個(gè)元素指向一個(gè)方法地址。

感興趣的話，你加個(gè)static 的方法自己找找，看看在不在這里面呢?畢竟static方法執(zhí)行不是有 invokestatic 指令嘛。

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