Java编程的逻辑 (17) - 继承实现的基本原理
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第15节我们介绍了继承和多态的基本概念，而上节我们进一步介绍了继承的一些细节，本节我们通过一个例子，来介绍继承实现的基本原理。需要说明的是，本节主要从概念上来介绍原理，实际实现细节可能与此不同。
例子
这是基类代码：
public class Base { public static int s; private int a; static { System.out.println("基类静态代码块, s: "+s); s = 1; } { System.out.println("基类实例代码块, a: "+a); a = 1; } public Base(){ System.out.println("基类构造方法, a: "+a); a = 2; } protected void step(){ System.out.println("base s: " + s +", a: "+a); } public void action(){ System.out.println("start"); step(); System.out.println("end"); } }
Base包括一个静态变量s，一个实例变量a，一段静态初始化代码块，一段实例初始化代码块，一个构造方法，两个方法step和action。
这是子类代码：
public class Child extends Base { public static int s; private int a; static { System.out.println("子类静态代码块, s: "+s); s = 10; } { System.out.println("子类实例代码块, a: "+a); a = 10; } public Child(){ System.out.println("子类构造方法, a: "+a); a = 20; } protected void step(){ System.out.println("child s: " + s +", a: "+a); } }
Child继承了Base，也定义了和基类同名的静态变量s和实例变量a，静态初始化代码块，实例初始化代码块，构造方法，重写了方法step。
这是使用的代码：
public static void main(String[] args) { System.out.println("---- new Child()"); Child c = new Child(); System.out.println("\n---- c.action()"); c.action(); Base b = c; System.out.println("\n---- b.action()"); b.action(); System.out.println("\n---- b.s: " + b.s); System.out.println("\n---- c.s: " + c.s); }
创建了Child类型的对象，赋值给了Child类型的引用变量c，通过c调用action方法，又赋值给了Base类型的引用变量b，通过b也调用了action，最后通过b和c访问静态变量s并输出。这是屏幕的输出结果：
---- new Child() 基类静态代码块, s: 0 子类静态代码块, s: 0 基类实例代码块, a: 0 基类构造方法, a: 1 子类实例代码块, a: 0 子类构造方法, a: 10 ---- c.action() start child s: 10, a: 20 end ---- b.action() start child s: 10, a: 20 end ---- b.s: 1 ---- c.s: 10
下面我们来解释一下背后都发生了一些什么事情，从类的加载开始。
类的加载
在Java中，所谓类的加载是指将类的相关信息加载到内存。在Java中，类是动态加载的，当第一次使用这个类的时候才会加载，加载一个类时，会查看其父类是否已加载，如果没有，则会加载其父类。
一个类的信息主要包括以下部分：
- 类变量（静态变量）
- 类初始化代码
- 类方法（静态方法）
- 实例变量
- 实例初始化代码
- 实例方法
- 父类信息引用
类初始化代码包括：
- 定义静态变量时的赋值语句
- 静态初始化代码块
实例初始化代码包括：
- 定义实例变量时的赋值语句
- 实例初始化代码块
- 构造方法
类加载过程包括：
- 分配内存保存类的信息
- 给类变量赋默认值
- 加载父类
- 设置父子关系
- 执行类初始化代码
需要说明的是，关于类初始化代码，是先执行父类的，再执行子类的，不过，父类执行时，子类静态变量的值也是有的，是默认值。对于默认值，我们之前说过，数字型变量都是0，boolean是false，char是'\u0000'，引用型变量是null。
之前我们说过，内存分为栈和堆，栈存放函数的局部变量，而堆存放动态分配的对象，还有一个内存区，存放类的信息，这个区在Java中称之为方法区。
加载后，对于每一个类，在Java方法区就有了一份这个类的信息，以我们的例子来说，有三份类信息，分别是Child，Base，Object，内存示意图如下：
我们用class_init()来表示类初始化代码，用instance_init()表示实例初始化代码，实例初始化代码包括了实例初始化代码块和构造方法。例子中只有一个构造方法，实际中可能有多个实例初始化方法。
本例中，类的加载大概就是在内存中形成了类似上面的布局，然后分别执行了Base和Child的类初始化代码。接下来，我们看对象创建的过程。
创建对象
在类加载之后，new Child()就是创建Child对象，创建对象过程包括：
- 分配内存
- 对所有实例变量赋默认值
- 执行实例初始化代码
分配的内存包括本类和所有父类的实例变量，但不包括任何静态变量。实例初始化代码的执行从父类开始，先执行父类的，再执行子类的。但在任何类执行初始化代码之前，所有实例变量都已设置完默认值。
每个对象除了保存类的实例变量之外，还保存着实际类信息的引用。
Child c = new Child();会将新创建的Child对象引用赋给变量c，而Base b = c;会让b也引用这个Child对象。创建和赋值后，内存布局大概如下图所示：
引用型变量c和b分配在栈中，它们指向相同的堆中的Child对象，Child对象存储着方法区中Child类型的地址，还有Base中的实例变量a和Child中的实例变量a。创建了对象，接下来，来看方法调用的过程。
方法调用
我们先来看c.action();这句代码的执行过程是：
- 查看c的对象类型，找到Child类型，在Child类型中找action方法，发现没有，到父类中寻找
- 在父类Base中找到了方法action，开始执行action方法
- action先输出了start，然后发现需要调用step()方法，就从Child类型开始寻找step方法
- 在Child类型中找到了step()方法，执行Child中的step()方法，执行完后返回action方法
- 继续执行action方法，输出end
寻找要执行的实例方法的时候，是从对象的实际类型信息开始查找的，找不到的时候，再查找父类类型信息。
我们来看b.action();，这句代码的输出和c.action是一样的，这称之为动态绑定，而动态绑定实现的机制，就是根据对象的实际类型查找要执行的方法，子类型中找不到的时候再查找父类。这里，因为b和c指向相同的对象，所以执行结果是一样的。
如果继承的层次比较深，要调用的方法位于比较上层的父类，则调用的效率是比较低的，因为每次调用都要进行很多次查找。大多数系统使用一种称为虚方法表的方法来优化调用的效率。
虚方法表
所谓虚方法表，就是在类加载的时候，为每个类创建一个表，这个表包括该类的对象所有动态绑定的方法及其地址，包括父类的方法，但一个方法只有一条记录，子类重写了父类方法后只会保留子类的。
对于本例来说，Child和Base的虚方法表如下所示：
对Child类型来说，action方法指向Base中的代码，toString方法指向Object中的代码，而step()指向本类中的代码。
这个表在类加载的时候生成，当通过对象动态绑定方法的时候，只需要查找这个表就可以了，而不需要挨个查找每个父类。
接下来，我们看对变量的访问。
变量访问
对变量的访问是静态绑定的，无论是类变量还是实例变量。代码中演示的是类变量：b.s和c.s，通过对象访问类变量，系统会转换为直接访问类变量Base.s和Child.s。
例子中的实例变量都是private的，不能直接访问，如果是public的，则b.a访问的是对象中Base类定义的实例变量a，而c.a访问的是对象中Child类定义的实例变量a。
小结
本节，我们通过一个例子，介绍了类的加载、对象创建、方法调用以及变量访问的内部过程。现在，我们应该对继承的实现有了一个比较清楚的理解。
之前我们提到过，继承其实是把双刃剑，为什么这么说呢？让我们下节来探讨。
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