快捷導(dǎo)航

Java的動態(tài)分派和靜態(tài)分派的實現(xiàn)

更新時間：2020年03月09日 11:12:48 作者：StefanJi

這篇文章主要介紹了Java的動態(tài)分派和靜態(tài)分派的實現(xiàn)，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

Java 方法執(zhí)行時的動態(tài)分派和靜態(tài)分派是 Java 實現(xiàn)多態(tài)的本質(zhì)

背景

Java 的動態(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，符號引用才會被替換為對應(yīng)方法在方法區(qū)的真實內(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)的方法可能是一個虛方法，那么方法的真實實現(xiàn)在運(yùn)行時就可能有多個。

所以在將符號引用替換為真實地址時，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)行時方法幀

與 C,C++ 一樣，JVM 在運(yùn)行時也會維護(hù)一個運(yùn)行棧，用于方法的調(diào)用和返回。當(dāng)調(diào)用一個方法時，會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區(qū)域：

局部變量表

存儲方法參數(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)；實例方法的局部變量數(shù)會多一個，多出的一個就是我們平時在實例方法中訪問的this。this 其實是編譯器在編譯時悄悄加到實例方法上的，而且是作為第一個參數(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，所以需要一個棧來存儲字節(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 采用寄存器存儲操作數(shù)有兩個主要原因：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。

動態(tài)鏈接

方法體中調(diào)用其他方法時，會把將要調(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，并儲存到動態(tài)鏈接中。

方法返回地址

一個方法執(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這個信息的。返回地址一般就是當(dāng)前方法的調(diào)用者的程序計數(shù)器的值(PC寄存器)。

正常完成出口: 方法正常返回時，如果有返回值，返回值會被壓入調(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，方法將不會有返回值

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)行時才能定位到真正的方法實現(xiàn)。通過符號引用確定虛方法直接引用的過程又叫做動態(tài)分派
invokeinterface	調(diào)用接口的方法	具體的實現(xiàn)類將在調(diào)用時確定
invokedynamic	JDK1.7 為了讓 JVM 支持動態(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 文件中儲存的只是符號引用，等到了在運(yùn)行時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，不會延遲到運(yùn)行時再去完成。
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)的實現(xiàn)原理

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

靜態(tài)類型

定義變量時，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。

實際類型

變量賦值時的實際類型。比如這里 obj 的實際類型就是 String。實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:

human
human
human

雖然 StaticDispatch 為每種 Human 的子類都重載了一個 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');
 }
}

這段代碼也是一個靜態(tài)分派的例子，編譯器會選擇參數(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 編譯則會失敗，提示對 out 的引用不明確。

動態(tài)分派

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

human
man
woman

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

其實多態(tài)的實現(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:

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

調(diào)用 say 方法時，JVM 會先去當(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: