Java 多态实现的原理

Java 多态的概述

多态是面向对象编程语言的重要特性。它允许基类的指针或者引用指向派生类的对象，而在具体访问时实现方法的动态绑定。

Java 对于方法调用动态绑定的实现主要依赖于方法表，但通过类引用调用(invokevitual)和接口引用调用(invokeinterface)的实现则有所不同。

类引用调用

大致过程为：Java编译器将Java源代码编译成class文件，在编译过程中，会根据静态类型将调用的符号引用写到class文件中。在执行时，JVM根据class文件找到调用方法的符号引用，然后在静态类型的方法表中找到偏移量，然后根据this指针确定对象的实际类型，使用实际类型的方法表，偏移量跟静态类型中方法表的偏移量一样，如果在实际类型的方法表中找到该方法，则直接调用，否则，认为没有重写父类该方法。按照继承关系从下往上搜索。

JVM 的方法调用指令有四个，分别是 invokestatic，invokespecial，invokesvirtual 和 invokeinterface。前两个是静态绑定，后两个是动态绑定的。本文也可以说是对于JVM后两种调用实现的考察。

定义：

 1 class Person {
 2     public String toString() {
 3         return "I'm a person.";
 4     }
 5  
 6     public void eat() {
 7     }
 8  
 9     public void speak() {
10     }
11  
12 }
13  
14 class Boy extends Person {
15     public String toString() {
16         return "I'm a boy";
17     }
18  
19     public void speak() {
20     }
21  
22     public void fight() {
23     }
24 }
25  
26 class Girl extends Person {
27     public String toString() {
28         return "I'm a girl";
29     }
30  
31     public void speak() {
32     }
33  
34     public void sing() {
35     }
36 }

当这三个类被载入到 Java 虚拟机之后，方法区中就包含了各自的类的信息。Girl 和 Boy 在方法区中的方法表可表示如下：

Girl 和 Boy 的方法表包含继承自 Object 的方法，继承自直接父类 Person 的方法及各自新定义的方法。注意方法表条目指向的具体的方法地址，如 Girl 继承自 Object 的方法中，只有 toString() 指向自己的实现（Girl 的方法代码），其余皆指向 Object 的方法代码；其继承自于 Person 的方法 eat() 和 speak() 分别指向 Person 的方法实现和本身的实现。

如果子类改写了父类的方法，那么子类和父类的那些同名的方法共享一个方法表项。

因此，方法表的偏移量总是固定的。所有继承父类的子类的方法表中，其父类所定义的方法的偏移量也总是一个定值。
Person 或 Object中的任意一个方法，在它们的方法表和其子类 Girl 和 Boy 的方法表中的位置 (index) 是一样的。这样 JVM 在调用实例方法其实只需要指定调用方法表中的第几个方法即可。

（1）在常量池（这里有个错误，上图为ClassReference常量池而非Party的常量池）中找到方法调用的符号引用。
（2）查看Person的方法表，得到speak方法在该方法表的偏移量（假设为15），这样就得到该方法的直接引用。
（3）根据this指针得到具体的对象（即 girl 所指向的位于堆中的对象）。
（4）根据对象得到该对象对应的方法表，根据偏移量15查看有无重写（override）该方法，如果重写，则可以直接调用（Girl的方法表的speak项指向自身的方法而非父类）；如果没有重写，则需要拿到按照继承关系从下往上的基类（这里是Person类）的方法表，同样按照这个偏移量15查看有无该方法。