Java的動態分派和靜態分派的實現

Java 方法執行時的動態分派和靜態分派是 Java 實現多態的本質

背景

Java 的動態分派和靜態分派也是 Java 方法的執行原理。 Java 源代碼的編譯之后，方法之間的調用是使用符號引用來表示的。當字節碼被 JVM 加載之后，符號引用才會被替換為對應方法在方法區的真實內存地址。那么在替換之前，由于 Java 的方法重寫、重載，就導致符號引用對應的方法可能是一個虛方法，那么方法的真實實現在運行時就可能有多個。

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

運行時方法幀

與 C,C++ 一樣，JVM 在運行時也會維護一個運行棧，用于方法的調用和返回。當調用一個方法時，會為方法在棧上分配一塊內存區域作為方法的幀。方法調用幀又分為下面幾個區域：

局部變量表

存儲方法參數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)。靜態方法的局部變量數就是方法體中聲明的變量數；實例方法的局部變量數會多一個，多出的一個就是我們平時在實例方法中訪問的this。this 其實是編譯器在編譯時悄悄加到實例方法上的，而且是作為第一個參數。

操作數棧

JVM 的字節碼指令執行機制是基于棧的，所以需要一個棧來存儲字節碼指令的操作數。

Android 的 VM 是基于寄存器的，所以沒有操作棧區域。

Android VM 采用寄存器存儲操作數有兩個主要原因：1. 寄存器乃是 CPU 內部的高速內存, 讀寫寄存器是與 CPU 交互最快的方式。2. 智能手機多使用 ARM 架構的 CPU, ARM 架構的 CPU 有很多通用寄存器可使用。

動態鏈接

方法體中調用其他方法時，會把將要調用的方法在常量池中的符號引用，轉化為將要其在方法區內存中的開始地址信息，并儲存到動態鏈接中。

方法返回地址

一個方法執行完畢之后，線程需要值得回到哪里繼續執行，方法返回地址就是存儲這個信息的。返回地址一般就是當前方法的調用者的程序計數器的值(PC寄存器)。

正常完成出口: 方法正常返回時，如果有返回值，返回值會被壓入調用方法的操作數棧中 異常完成出口: 當方法發生了異常，且在異常表中沒有找到匹配的異常處理流程時，方法將不會有返回值

方法調用

方法調用并不等同于方法執行，方法調用階段唯一的任務就是確定被調用方法的版本（即調用哪一個方法）

調用方法的指令

有以下字節碼指令用于方法的調用:

指令 用途 說明 invokestatic 調用類的靜態方法 invokespecfical 調用對象的構造函數和私有方法 invokevirtual 調用對象的 public/protected 的方法 可能通過繼承復寫的方法稱做 virtual method: 表示要到運行時才能定位到真正的方法實現。通過符號引用確定虛方法直接引用的過程又叫做動態分派 invokeinterface 調用接口的方法 具體的實現類將在調用時確定 invokedynamic JDK1.7 為了讓 JVM 支持動態類型語言引入的指令 讓用戶可以決定如何查找目標方法

符號引用到直接引用

由于 Java 的編譯沒有C C++ 編譯過程中的鏈接階段，所以 Class 文件中儲存的只是符號引用，等到了在運行時才通過符號引用定位到方法區中方法代碼在內存布局中的位置--直接引用。符號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。解析發生在類加載的解析階段，分派發生在編譯或方法調用階段。

解析

在類加載的解析階段會把滿足「編譯期可知，運行期不可變」的方法的符號引用替換為指向方法區的直接引用，不會延遲到運行時再去完成。滿足編譯期可知，運行期不可變的方法有：構造函數、私有方法、靜態方法、final修飾的方法。不滿足上述條件的方法的符號引用替換發生在方法調用期間。

分派 Dispatch

多態的實現原理

變量類型理解分派之前，需要先看兩個類型概念。比如：Object obj = new String('');

靜態類型

定義變量時，聲明的類型。比如這里 obj 的靜態類型就是 Object。靜態類型在編譯期的編譯器就能知道。

實際類型

變量賦值時的實際類型。比如這里 obj 的實際類型就是 String。實際類型在編譯期的編譯器是不可知的。

靜態分派

根據變量的「靜態類型(外觀類型)」匹配調用方法的過程稱為靜態分派。發生的場景為方法重載。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 方法的執行結果:

humanhumanhuman

雖然 StaticDispatch 為每種 Human 的子類都重載了一個 say 方法，但是由于重載采用的是靜態分派，是根據對象的靜態類型做方法匹配的。所以結果全都匹配到了 public void say(Human human) 方法。main 方法編譯之后的字節碼:

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

從字節碼也能看到，編譯器確實是按照靜態分派選擇了匹配靜態類型的 StaticDispatch.say(LStaticDispatch$Human;)V 方法，而沒有按照變量的實際類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’); }}

這段代碼也是一個靜態分派的例子，編譯器會選擇參數類型做合適的函數去調用。可以注釋掉所有 out 函數，留下 out(Serializable a)，你會發現程序也能成功編譯和運行。如果留下Serializeable 和 Comparable 編譯則會失敗，提示對 out 的引用不明確。

動態分派

根據變量的「實際類型」匹配調用方法的過程稱為動態分派。發生的場景為方法重寫。當調用一個可能被子類重寫或繼承的方法時，就會觸發動態分派。

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 方法的執行結果:

humanmanwoman

意料之中，所謂的多態就是這樣。那多態是如何實現的？

其實多態的實現過程也就是確定被重寫的方法版本的過程。main 方法編譯之后的字節碼:

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 // 下面為多態調用 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

這里通過字節碼感覺都會調用Hunman#say方法的，但是運行之后并不是。

當 JVM 執行這兩行字節碼時:

ALOAD 1 // 由上面 ASTORE 1 可知, 局部變量表的第一個變量是 Woman 的對象INVOKEVIRTUAL method_invoke/DynamicDispatch$Human.say ()V// INVOKEVIRTUAL 指令就會到 Woman 類中去尋找 say 方法

調用 say 方法時，JVM 會先去當前調用的對象的類中查找是否存在和目標方法的描述符、簡單名稱一樣的方法，如果存在則將符號引用替換為找到的方法的直接引用，否則就向父類去查找，向父類的父類去查找..., 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 Woman 類的 Human 類中的 say 方法的描述符和簡單名稱是一樣的，所以 JVM 會優先匹配 Woman 類中的方法。這也是多態調用的底層邏輯。

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