【转】Java方法调用的虚分派

本文通过介绍 Java 方法调用的虚分派，来加深对 Java 多态实现的理解。需要预先理解 Java 字节码和 JVM 的基本框架。

虚分配（Virtual Dispatch）

首先从字节码中对方法的调用说起。Java 的 bytecode 中方法的调用实现分为四种指令：

1.invokevirtual 为最常见的情况，包含 virtual dispatch 机制；
2.invokespecial 是作为对 private 和构造方法的调用，绕过了 virtual dispatch；
3.invokeinterface 的实现跟 invokevirtual 类似。
4.invokestatic 是对静态方法的调用。

其中最复杂的要属 invokevirtual 指令，它涉及到了多态的特性，使用 virtual dispatch 做方法调用。

virtual dispatch 机制会首先从 receiver（被调用方法的对象）的类的实现中查找对应的方法，如果没找到，则去父类查找，直到找到函数并实现调用，而不是依赖于引用的类型。

下面是一段有趣的代码。反映了 virtual dispatch 机制和一般的 field 访问的不同。

public class Greeting {
    String intro = "Hello";
    String target(){
        return "world";
    }
}


public class FrenchGreeting extends Greeting {
    String intro = "Bonjour";
    String target(){
        return "le monde";
    }


    public static void main(String[] args){
        Greeting english = new Greeting();
        Greeting french = new FrenchGreeting();

        System.out.println(english.intro + "," + english.target());
        System.out.println(french.intro + "," + french.target());
        System.out.println(((FrenchGreeting)french).intro + "," +      ((FrenchGreeting)french).target());
    }
}

运行的结果为

Hello,world
Hello,le monde
Bonjour,le monde

前两行输出中，对于 intro 这个属性的访问，直接指向了父类中的变量，因为引用类型为父类。

第二行对于 target()的方法调用，则是指向了子类中的方法，虽然引用类型也为父类，但这是虚分派的结果，虚分派不管引用类型的，只查被调用对象的类型。

既然虚分派机制是从被调用对象本身的类开始查找，那么对于一个覆盖了父类中某方法的子类的对象，是无法调用父类中那个被覆盖的方法的吗？

在虚分派机制中这确实是不可以的。但却可以通过 invokespecial 实现。如下代码

public class FrenchGreeting extends Greeting {
    String intro = "Bonjour";
    String target(){
        return "le monde";
    }

    public String func(){
        return super.target();
    }


    public static void main(String[] args){
        Greeting english = new Greeting();
        FrenchGreeting french = new FrenchGreeting();

        System.out.println(french.func());

    }
}

func()就成功的调用了父类的方法 target()，虽然 target()已经被子类重写了。具体的调用细节，从字节码中可以看到：

ALOAD 0: this
INVOKESPECIAL Greeting.target() : String
ARETURN

其中使用了 invokespecial 指令，而不是施行虚分派策略的 invokevirtual 指令。

方法表（Method Table）

介绍了虚分派，接下来介绍是它的一种实现方式 – 方法表。类似于 C++的虚函数表 vtbl。

在有的 JVM 实现中，使用了方法表机制实现虚分派，而有时候，为了节省内存可能不采用方法表的实现。

不要被方法表这个名字迷惑，它并不是记录所有方法的表。它是为虚分派服务，不会记录用 invokestatic 调用的静态方法和用 invokespecial 调用的构造函数和私有方法。

JVM 会在链接类的过程中，给类分配相应的方法表内存空间。每个类对应一个方法表。这些都是存在于 method area 区中的。这里与 C++略有不同，C++中每个对象的第一个指针就是指向了相应的虚函数表。而 Java 中每个对象索引到对应的类，在对应的类数据中对应一个方法表。（关于链接的更多信息，参见博文《Java 类的装载、链接和初始化》）

一种方法表的实现如下：

父类的方法比子类的方法先得到解析，即父类的方法相比子类的方法位于表的前列。

表中每项对应于一个方法，索引到实际方法的实现代码上。如果子类重写了父类中某个方法的代码，则该方法第一次出现的位置的索引更换到子类的实现代码上，而不会在方法表中出现新的项。

JVM 运行时，当代码索引到一个方法时，是根据它在方法表中的偏移量来实现访问的。（第一次执行到调用指令时，会执行解析，将符号索引替换为对应的直接索引）。

由于 invokevirtual 调用的方法在对应的类的方法表中都有固定的位置，直接索引的值可以用偏移量来表示。（符号索引解析的最终目的是完成直接索引：对象方法和对象变量的调用都是用偏移量来表示直接索引的）

invokeinterface 与 invokevirtual 的比较

当使用 invokeinterface 来调用方法时，由于不同的类可以实现同一 interface，我们无法确定在某个类中的 inteface 中的方法处在哪个位置。于是，也就无法解析 CONSTANT_intefaceMethodref-info 为直接索引，而必须每次都执行一次在 methodtable 中的搜索了。所以，在这种实现中，通过 invokeinterface 访问方法比通过 invokevirtual 访问明显慢很多。

参考资料

《Inside the Java2 Virtual Machine》

苍枫露雨

想的太多，做的太少 ——人就是这么堕落的

虚分配（Virtual Dispatch）

方法表（Method Table）

一种方法表的实现如下：

invokeinterface 与 invokevirtual 的比较

参考资料

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