Java 方法執(zhí)行時(shí)的動(dòng)態(tài)分派和靜態(tài)分派是 Java 實(shí)現(xiàn)多態(tài)的本質(zhì)

背景

Java 的動(dòng)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(hào)引用來(lái)表示的。當(dāng)字節(jié)碼被 JVM 加載之后，符號(hào)引用才會(huì)被替換為對(duì)應(yīng)方法在方法區(qū)的真實(shí)內(nèi)存地址。那么在替換之前，由于 Java 的方法重寫(xiě)、重載，就導(dǎo)致符號(hào)引用對(duì)應(yīng)的方法可能是一個(gè)虛方法，那么方法的真實(shí)實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行時(shí)就可能有多個(gè)。

所以在將符號(hào)引用替換為真實(shí)地址時(shí)，還需要做一件事情：那就是確定符號(hào)引用要替換的方法的版本。

運(yùn)行時(shí)方法幀

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

局部變量表

存儲(chǔ)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(shí)例方法的局部變量數(shù)會(huì)多一個(gè)，多出的一個(gè)就是我們平時(shí)在實(shí)例方法中訪問(wèn)的this。this 其實(shí)是編譯器在編譯時(shí)悄悄加到實(shí)例方法上的，而且是作為第一個(gè)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(gè)棧來(lái)存儲(chǔ)字節(jié)碼指令的操作數(shù)。

Android 的 VM 是基于寄存器的，所以沒(méi)有操作棧區(qū)域。

Android VM 采用寄存器存儲(chǔ)操作數(shù)有兩個(gè)主要原因：1. 寄存器乃是 CPU 內(nèi)部的高速內(nèi)存, 讀寫(xiě)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(dòng)態(tài)鏈接

方法體中調(diào)用其他方法時(shí)，會(huì)把將要調(diào)用的方法在常量池中的符號(hào)引用，轉(zhuǎn)化為將要其在方法區(qū)內(nèi)存中的開(kāi)始地址信息，并儲(chǔ)存到動(dòng)態(tài)鏈接中。

方法返回地址

一個(gè)方法執(zhí)行完畢之后，線(xiàn)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(chǔ)這個(gè)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(jì)數(shù)器的值(PC寄存器)。

1. 正常完成出口: 方法正常返回時(shí)，如果有返回值，返回值會(huì)被壓入調(diào)用方法的操作數(shù)棧中
2. 異常完成出口: 當(dāng)方法發(fā)生了異常，且在異常表中沒(méi)有找到匹配的異常處理流程時(shí)，方法將不會(huì)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(gè)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:

符號(hào)引用到直接引用

由于 Java 的編譯沒(méi)有C C++ 編譯過(guò)程中的鏈接階段，所以 Class 文件中儲(chǔ)存的只是符號(hào)引用，等到了在運(yùn)行時(shí)才通過(guò)符號(hào)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(hào)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(lèi)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(lèi)加載的解析階段會(huì)把滿(mǎn)足「編譯期可知，運(yùn)行期不可變」的方法的符號(hào)引用替換為指向方法區(qū)的直接引用，不會(huì)延遲到運(yùn)行時(shí)再去完成。
滿(mǎn)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(mǎn)足上述條件的方法的符號(hào)引用替換發(fā)生在方法調(diào)用期間。

分派 Dispatch

多態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理

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

靜態(tài)類(lèi)型

定義變量時(shí)，聲明的類(lèi)型。比如這里 obj 的靜態(tài)類(lèi)型就是 Object。靜態(tài)類(lèi)型在編譯期的編譯器就能知道。

實(shí)際類(lèi)型

變量賦值時(shí)的實(shí)際類(lèi)型。比如這里 obj 的實(shí)際類(lèi)型就是 String。實(shí)際類(lèi)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(lèi)型(外觀類(lèi)型)」匹配調(diào)用方法的過(guò)程稱(chēng)為靜態(tài)分派。發(fā)生的場(chǎng)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(lèi)都重載了一個(gè) say 方法，但是由于重載采用的是靜態(tài)分派，是根據(jù)對(duì)象的靜態(tài)類(lèi)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(shí)是按照靜態(tài)分派選擇了匹配靜態(tài)類(lèi)型的 StaticDispatch.say(LStaticDispatch$Human;)V 方法，而沒(méi)有按照變量的實(shí)際類(lèi)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(gè)靜態(tài)分派的例子，編譯器會(huì)選擇參數(shù)類(lèi)型做合適的函數(shù)去調(diào)用?？梢宰⑨尩羲?out 函數(shù)，留下 out(Serializable a)，你會(huì)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(huì)失敗，提示對(duì) out 的引用不明確。

動(dòng)態(tài)分派

根據(jù)變量的「實(shí)際類(lèi)型」匹配調(diào)用方法的過(guò)程稱(chēng)為動(dòng)態(tài)分派。發(fā)生的場(chǎng)景為方法重寫(xiě)。當(dāng)調(diào)用一個(gè)可能被子類(lèi)重寫(xiě)或繼承的方法時(shí)，就會(huì)觸發(fā)動(dòng)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(shí)現(xiàn)的？

其實(shí)多態(tài)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程也就是確定被重寫(xiě)的方法版本的過(guò)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(guò)字節(jié)碼感覺(jué)都會(huì)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(shí):

ALOAD 1 
// 由上面 ASTORE 1 可知, 局部變量表的第一個(gè)變量是 Woman 的對(duì)象
INVOKEVIRTUAL method_invoke/DynamicDispatch$Human.say ()V
// INVOKEVIRTUAL 指令就會(huì)到 Woman 類(lèi)中去尋找 say 方法

調(diào)用 say 方法時(shí)，JVM 會(huì)先去當(dāng)前調(diào)用的對(duì)象的類(lèi)中查找是否存在和目標(biāo)方法的描述符、簡(jiǎn)單名稱(chēng)一樣的方法，如果存在則將符號(hào)引用替換為找到的方法的直接引用，否則就向父類(lèi)去查找，向父類(lèi)的父類(lèi)去查找..., 直到最后找不到拋出NoSuchMethod異常。

Human 的 say 方法的簽名:

public void say();
 descriptor: ()V

Woman 的 say 方法的簽名:

public void say();
 descriptor: ()V

可見(jiàn) Woman 類(lèi)的 Human 類(lèi)中的 say 方法的描述符和簡(jiǎn)單名稱(chēng)是一樣的，所以 JVM 會(huì)優(yōu)先匹配 Woman 類(lèi)中的方法。這也是多態(tài)調(diào)用的底層邏輯。

 到此這篇關(guān)于Java的動(dòng)態(tài)分派和靜態(tài)分派的實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java 動(dòng)態(tài)分派和靜態(tài)分派內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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