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Java 的多态在 JVM 里原来是这样的发布日期:2021-10-07 00:45    点击次数:53

 多态

面向对象的编程语言里,「多态」是一个至关重要的概念。我们常说,面向对象的本质,是方法与数据的绑定。那对于一个拥有继承关系的类之间,方法的绑定,是终是子类「重写」父类的方法,通过父类的引用指向子类的对象,实现运行时的多态。

说起来比较绕,我们先以仅次于Hello World 著名的 「动物 - 狗」代码来说明多态,然后再来分析在 JVM 层面,多态是怎样实现的。

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");     } } 

输出的内容对于习惯了面向对象的 Java 开发者来说都比较熟悉

Animal say Dog say Dog say 

那虚拟机是怎样知道到底要调用 Animal 的 say 还是 Dog 的say呢?

咱们从字节码的层面来看一下。

0 new #2 <com/example/demo/Animal>  3 dup  4 invokespecial #3 <com/example/demo/Animal.<init>>  7 astore_1  8 aload_1  9 invokevirtual #4 <com/example/demo/Animal.say> 12 new #5 <com/example/demo/Dog> 15 dup 16 invokespecial #6 <com/example/demo/Dog.<init>> 19 astore_2 20 aload_2 21 invokevirtual #7 <com/example/demo/Dog.say> 24 new #5 <com/example/demo/Dog> 27 dup 28 invokespecial #6 <com/example/demo/Dog.<init>> 31 astore_3 32 aload_3 33 invokevirtual #4 <com/example/demo/Animal.say> 36 return 

你发现没有,在字节码的第9行,和第33行,分别对应到 d.say() 和 ad.say() ,但指令内容其实是一样的。这就神奇了。

在这两个方法执行前,第8行和第32行,会有一个aload的操作,是把这两个对象的引用 压到栈顶,给后面的操作用。这两个对象,一般也被称为方法的接收者(Receiver),如果熟悉 Golang等语言的朋友,对这个概念也不陌生。

从9行和第33行看,无论是方法调用的字节码指令还是参数,都指向了常量池的第4项。都是一样的,但最终结果并不相同。这里的重点在于 invokevirtual 这个指令的多态指行查找过程,即根据对象的 vtable 在运行时定位方法。

啥是 vtable?

前面的内容提到指令执行时从栈顶获取当前方法的「接收者」,通过invokerirtual 来执行这个接者者对应的方法。 注意这里的 virtual,和C++的虚方法类似。这个咱们不提,只说Java 的。

对象都有一个自己的「方法表」,这个表里除了自己的方法,还有从父类继承来的方法,甚至重写的父类的方法。所以,对应于重写与重载,体现在方法表里也有所区别。每个子类继承父类的时候,都将直接复制一份父类的方法表,而对于父类方法的重写,会直接更新方法表里相同顺序的这个方法。

而重载,本质上由于签名及参数的区别,是一个新的方法,在方法表里会是新增一个元素。

这里的这个方法表,就是咱们说的 vtable(Virtual Method Table),表里的每个方法,对应的是它的实际执行入口地址。如果没有重写,那父类和子类的地址是一样的,都指向父类的实现。

如果子类重写之后,子类方法表里的这个方法的地址就指向了自己实现的版本。

而我们上面字节码处观察到的,两个 invokevirtual 对应的常量池索引序号是一样的,这样实现对于变换实现类型时,查找方法表只需要换个对象,索引依旧相同。

观察

为了便于 Attach 到 Java 进程,可以在代码里加下 latch 进行 awiat 阻塞,启动 SA 就能观察了。

选择 ClassBrowser

在 Class列表里就能找到咱们上面创建的对象。@ 符号后面是这个对象对应的内存地址。复制上Dog的地址,再从菜单里选择Inspector,

你看 _vtable_len: 7

这是告诉我们 vtable 长度是7,里面有7个方法。

实际上咱们在这个类里只重写了父类 Animal 的 say方法,其它的是从 Animal 继承来的 play方法,以及超类 Object 里的 5个方法,大概这个样子

JVM 在首次加载类的时候,会解析类内包含的方法,方法解析之后就会计算当前类 vtable的大小。

可能你会问,Object 类内不止5个方法,为什么只算5个呢?而且我们新增其它static、 final 这一类的方法呢?

这里 vtable 只计算非static final 的,全部计算完就得出了vtable_len这个值。

每个 Java 的 Class 在 JVM 内部都会有一个自己的instanceKlass, vtable就分配在这个的最后。

整个instanceKlass的大小,在64位系统里大小是 0x1b8,记住它,后面用的着。 所以咱们上面看到了Dog 类的内存地址,继续找就能看到他其它方法对应的内存地址。

在Windows -> console 里执行这个:

mem 0x7C0060DD0 7 

这个值怎么来的呢?是从对象的内存地址开始,加上 instanceKlass的大小。

0x7C0060DD0   =  0x00000007c0060c18 + 0x1b8 

由于我们有7个方法,所以顺序查找7个地址。

所以你应该也发现了,Java 里对应这种重写的方法,是在类加载的时候,才能知道具体对应的是哪个方法,因此也被称为动态绑定或者迟绑定。

总结起来,这里的 vtable,相当于你的工具清单,有什么能力都做了罗列,像钢铁侠的各项技能,每个功能指向具体的超能力,在我们代码里可以把它理解成一个数组,数组的每个元素指向一个方法地址。

感兴趣的话,你加个static 的方法自己找找,看看在不在这里面呢?毕竟static方法执行不是有 invokestatic 指令嘛。

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