面向对象-多态

发表于 2020-02-13 更新于 2020-10-02 分类于技术文档

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简单介绍面向对象-多态，内容包括：简介和实现原理等。

多态

第一节简介

1.1 什么是多态

多态，按照字面意思就是具有多种形态，用来描述同一个行为具有多种表现形式或形态能力，作为面向对象的三个特性（继承、封装和多态）之一。

多态就是同一个接口，使用不同的实例而执行不同操作，多态性是对象多种表现形式的体现，同一个事件发生在不同的对象上会产生不同的结果。

1.2 优点

消除类型之间的耦合关系

可替换性

可扩充性

接口性

灵活性

简化性

1.3 在Java中的实现方式

多态存在的三个必要条件：

继承

重写

父类引用指向子类对象

多态又可以分为编译时多态和运行时多态。

Java中使用多态特性的主要有:

方法重载(overload)：同一个类中可以创建多个具有相同名字的方法，但可具有不同的参数列表、返回值类型，调用方法时通过传递的参数类型来决定具体使用哪个方法，体现了多态性。是一种编译时多态，运行时调用的是确定的方法。

方法重写(overrite)：子类可继承父类中的方法，但有时子类并不想原封不动地继承父类的方法，而是想作一定的修改，这就需要采用方法的重写。重写的参数列表和返回类型均不可修改，要想调用父类中被重写的方法，则必须使用关键字super。是一种运行时多态，在运行时有不同的执行效果。

实现接口：对接口方法的实现，是一种运行时多态。

实现抽象类的一个方法：是一种运行时多态。

第二节实现原理

多态的底层实现是动态绑定，即在运行时才把方法调用与方法实现关联起来，通过方法表来实现。动态绑定涉及到一些JVM知识，如果对JVM不够了解可以先补充一些相关知识。

2.1 虚函数

虚函数的存在是为了多态。

Java 中其实没有虚函数的概念，它的普通函数就相当于 C++ 的虚函数，动态绑定是Java的默认行为。如果 Java 中不希望某个函数具有虚函数特性，可以加上 final 关键字变成非虚函数。

2.2 静态绑定与动态绑定

JVM 的方法调用指令有五个，分别是：

invokestatic：调用静态方法

invokespecial：调用实例构造器< init >方法、私有方法和父类方法

invokevirtual：调用虚方法

invokeinterface：调用接口方法，运行时确定具体实现

invokedynamic：运行时动态解析所引用的方法，然后再执行，用于支持动态类型语言。

其中，invokestatic 和 invokespecial 用于静态绑定，invokevirtual 和 invokeinterface 用于动态绑定。可以看出，动态绑定主要应用于虚方法和接口方法。

静态绑定在编译期就已经确定，这是因为静态方法、构造器方法、私有方法和父类方法可以唯一确定。这些方法的符号引用在类加载的解析阶段就会解析成直接引用。因此这些方法也被称为非虚方法，与之相对的便是虚方法。

动态绑定是指在执行期间（非编译期）判断所引用对象的实际类型，根据其实际的类型调用其相应的方法。

虚方法的方法调用与方法实现的关联（也就是分派）有两种，一种是在编译期确定，被称为静态分派，比如方法的重载；一种是在运行时确定，被称为动态分派，比如方法的重写。对象方法基本上都是虚方法。

这里需要特别说明的是，final 方法由于不能被覆盖，可以唯一确定，因此 Java 语言规范规定 final 方法属于非虚方法，但仍然使用 invokevirtual 指令调用。静态绑定、动态绑定的概念和虚方法、非虚方法的概念是两个不同的概念。

2.3 虚拟机中多态的实现

虚拟机栈中会存放当前方法调用的栈帧，在栈帧中，存储着局部变量表、操作栈、动态连接、返回地址和其他附加信息。多态的实现过程，就是方法调用动态分派的过程，通过栈帧的信息去找到被调用方法的具体实现，然后使用这个具体实现的直接引用完成方法调用。

2.3.1 调用虚方法的执行过程

以 invokevirtual 指令为例，在执行时，大致可以分为以下几步：

先从操作栈中找到对象的实际类型class；

找到class中与被调用方法签名相同的方法，如果有访问权限就返回这个方法的直接引用，如果没有访问权限就报错 java.lang.IllegalAccessError；

如果第 2 步找不到相符的方法，就去搜索 class 的父类，按照继承关系自下而上依次执行第 2 步的操作；

如果第 3 步找不到相符的方法，就报错java.lang.AbstractMethodError；

可以看到，如果子类覆盖了父类的方法，则在多态调用中，动态绑定过程会首先确定实际类型是子类，从而先搜索到子类中的方法。这个过程便是方法覆盖的本质。

实际上，商用虚拟机为了保证性能，通常会使用虚方法表和接口方法表，而不是每次都执行一遍上面的步骤。以虚方法表为例，虚方法表在类加载的解析阶段填充完成，其中存储了所有方法的直接引用。也就是说，动态分派在填充虚方法表的时候就已经完成了。

在子类的虚方法表中，如果子类覆盖了父类的某个方法，则这个方法的直接引用指向子类的实现；而子类没有覆盖的那些方法，比如 Object 的方法，直接引用指向父类或 Object 的实现。

2.3.2 调用重写的虚方法

假设有类A和类B，B为A的子类，并重写了类A的method()方法，两个方法分别打印不同的输出。根据下列调用猜想一下实际的输出。

A a = new B();
B b = new B();
a.method();
b.method();

很明显最终都会打印B中method()的输出，编译时通过A类的method()验证，运行时却实际调用的B类的method()。因为不管编译时引用变量是什么数据类型，最终在方法表中存放的仍是运行时要执行的引用。

2.3.3 方法表在方法调用中的工作

在JVM执行Java字节码时，类型信息被存放在方法区中，通常为了优化对象调用方法的速度，方法区的类型信息中增加一个指针，该指针指向一张记录该类方法入口的表（称为方法表），表中的每一项都是指向相应方法的指针。

由于Java的单继承机制，一个类只能继承一个父类，而所有的类又都继承自Object类。方法表中最先存放的是Object类的方法，接下来是该类的父类的方法，最后是该类本身的方法。这里关键的地方在于，如果子类改写了父类的方法，那么子类和父类的那些同名方法共享一个方法表项，都被认作是父类的方法。

注意这里只有非私有的实例方法才会出现，并且静态方法也不会出现在这里，原因很容易理解：静态方法跟对象无关，可以将方法地址直接引用，而不像实例方法需要间接引用。

更深入地讲，静态方法是由虚拟机指令invokestatic调用的，私有方法和构造函数则是由invokespecial指令调用，只有被invokevirtual和invokeinterface指令调用的方法才会在方法表中出现。

由于以上方法的排列特性（Object——父类——子类），使得方法表的偏移量总是固定的。例如，对于任何类来说，其方法表中equals方法的偏移量总是一个定值，所有继承某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。

前面说过，方法表中的表项都是指向该类对应方法的指针，这里就开始了多态的实现：在父类A的方法表中，method方法的指针指向的就是A的method方法入口。而对于子类B来说，它的方法表中的method方法则会指向其自身的method方法而非其父类的（这在类加载器载入该类时已经保证，同时JVM会保证总是能从对象引用指向正确的类型信息）。

结合方法指针偏移量是固定的以及指针总是指向实际类的方法域，我们不难发现多态的机制就在这里：在调用方法时，实际上必须首先完成实例方法的符号引用解析，结果是该符号引用被解析为方法表的偏移量。虚拟机通过对象引用得到方法区中类型信息的入口，查询类的方法表，当将子类对象声明为父类类型时，形式上调用的是父类方法，此时虚拟机会从实际类的方法表（虽然声明的是父类，但是实际上这里的类型信息中存放的是子类的信息）中查找该方法名对应的指针（这里用“查找”实际上是不合适的，前面提到过，方法的偏移量是固定的，所以只需根据偏移量就能获得指针），进而就能指向实际类的方法了。

2.3.4 实现接口的多态

上上面的过程仅仅是利用继承实现多态的内部机制，多态的另外一种实现方式：实现接口相比而言就更加复杂，原因在于，Java的单继承保证了类的线性关系，而接口可以同时实现多个，这样光凭偏移量就很难准确获得方法的指针。所以在JVM中，多态的实例方法调用实际上有两种指令：

invokevirtual指令用于调用声明为类引用的方法。

invokeinterface指令用于调用声明为接口的方法。

当使用invokeinterface指令调用方法时，就不能采用固定偏移量的办法，只能老老实实挨个找了（当然实际实现并不一定如此，JVM规范并没有规定究竟如何实现这种查找，不同的JVM实现可以有不同的优化算法来提高搜索效率）。我们不难看出，在性能上，调用接口引用的方法通常总是比调用类的引用的方法要慢。这也告诉我们，在类和接口之间优先选择接口作为设计并不总是正确的。

参考：

🔗 Java多态

多态

第一节 简介