怎么使用Java方法調用解析靜態分派和動態分派

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方法調用

在程序運行時,進行方法調用是最普遍,最頻繁的操作

方法調用不等于方法執行:

• 方法調用階段唯一的任務就是確定被調用的方法版本,即調用哪一個方法

• 不涉及方法內部的具體運行過程

Class文件的編譯過程不包括傳統編譯中的連接步驟

Class文件中的一切方法調用在Class文件里面存儲的都是符號引用,而不是方法在在實際運行時內存布局中的入口地址,即之前的直接引用:

• 這樣使得Java具有更強大的動態擴展能力

• 同時也使得Java方法調用過程變得相對復雜

• 需要在類加載期間,甚至會到運行期間才能確定目標方法的直接引用

方法解析

所有方法調用中的目標方法在Class文件里都是一個常量池的引用

在類的加載解析階段,會將其中的一部分符號引用轉化為直接引用:

方法在程序真正執行之前就有一個可確定的調用版本,并且這個方法的調用版本在運行期是不可改變的

也就是說,調用目標在程序代碼中完成,編譯器進行編譯時就必須確定下來,這也叫做方法解析

Java方法分類

在Java中符合 "編譯期可知,運行期不可變" 的方法有兩大類:

• 靜態方法: 與類型直接關聯

• 私有方法: 在外部不可被訪問

這兩種方法各自的特點決定這兩種方法都不可能通過繼承或者別的方式重寫版本,因此適合在類加載階段進行解析

非虛方法: 在類加載階段會把符號引用解析為該方法的直接引用

• 靜態方法

• 私有方法

• 實例構造器

• 父類方法

虛方法: 在類加載階段不會將符號引用解析為該方法的直接引用

除去以上的非虛方法,其它的方法均為虛方法

靜態分派

public class StaticDispatch {
	static abstract class Human {
	}
	static class Man extends Human {
	}
	static class Woman extends Human {
	}
	public static void sayHello(Human guy) {
		System.out.println("Hello, Guy!");
	}
	public static void sayHello(Man guy) {
		System.out.println("Hello, Gentleman!");
	}
	public static void sayHello(woman guy) {
		System.out.println("Hello, Lady!");
	}
	public static void main(String[] args) {
		Human man = new Man();
		Human women = new Woman();
		sayHello(man);
		sayHello(woman);
	}
}

Human man = new Human();

Human為變量的靜態類型

Man為變量的實際類型

靜態類型和實際類型在程序中都會放生變化:

靜態類型:

• 靜態類型的變化僅僅在使用時發生

• 變量本身的靜態類型不會被改變

• 最終的靜態類型在編譯器中可知

實際類型:

• 實際類型變化的結果在運行期才確定下來

• 編譯器在編譯期間并不知道一個對象的實際類型是什么

Human human = new Man();
sayHello(man);
sayHello((Man)man);		// 類型轉換,靜態類型變化,轉型后的靜態類型一定是Man
man = new woman();		// 實際類型變化,實際類型是不確定的
sayHello(man);
sayHello((Woman)man);	// 類型轉換,靜態類型變化

編譯器在重載時是通過參數的靜態類型而不是實際類型作為判斷依據,靜態類型在編譯期間可以知道:

編譯階段,Javac編譯器會根據參數的靜態類型決定使用哪個重載版本

靜態分派:

• 所有依賴靜態類型來定位方法的執行版本的分派動作

• 典型應用 :方法重載

靜態分派發生在編譯階段,因此確定靜態分派的的動作不是由虛擬機執行的,而是由編譯器完成的

由于字面量沒有顯示靜態類型,只能通過語言上的規則去理解和推斷

public class LiteralTest {
	public static void sayHello(char arg) {
		System.out.println("Hello, char!");
	}
	public static void sayHello(int arg) {
		System.out.println("Hello, int!");
	}
	public static void sayHello(long arg) {
		System.out.println("Hello, long!");
	}
	public static void sayHello(Character arg) {
		System.out.println("Hello, Character!");
	}
	public static void main(String[] arg) {
		sayHello('a');
	}
}

編譯器將重載方法從上向下依次注釋,得到不同的輸出

如果編譯器無法確定要自定轉型為哪種類型,會提示類型模糊,拒絕編譯

public class LiteralTest {
	public static void sayHello(String arg) {	// 新增重載方法
		System.out.println("Hello, String!");
	}
	public static void sayHello(char arg) {	
		System.out.println("Hello, char!");
	}
	public static void sayHello(int arg) {
		System.out.println("Hello, int!");
	}
	public static void sayHello(long arg) {
		System.out.println("Hello, long!");
	}
	public static void sayHello(Character arg) {
		System.out.println("Hello, Character!");
	}
	public static void main(String[] args) {
		Random r = new Random();
		String s = "abc";
		int i = 0;
		sayHello(r.nextInt() % 2 != 0 ? s : 1 );	// 編譯錯誤
		sayHello(r.nextInt() % 2 != 0 ? 'a' : false);	//編譯錯誤
	}
}

動態分派

public class DynamicDispatch {
	static abstract class Human {
		protected abstract void sayHello();
	}
	static class Man extends Human {
		@override
		protected void sayHello() {
			System.out.println("Man Say Hello!");
		}
	}
	static class Woman extends Human {
		@override
		protected void sayHello() {
			System.out.println("Woman Say Hello!");
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		Human man = new Man();
		Human women = new Woman();
		man.sayHello();
		woman.sayHello();
		man = new Woman();
		man.sayHello();
	}
}

這里不是根據靜態類型決定的

• 靜態類型的Human兩個變量man和woman在調用sayHello() 方法時執行了不同的行為

• 變量man在兩次調用中執行了不同的方法

導致這個現象的額原因 :這兩個變量的實際類型不同

Java虛擬機是如何根據實際類型分派方法的執行版本的: 從invokevirtual指令的多態查找過程開始 ,invokevirtual指令運行時解析過程大致分為以下幾個步驟:

• 找到操作數棧頂的第一個元素所指向的對象的實際類型,記作C

• 如果在類型C中找到與常量中的描述符和簡單名稱相符合的方法,然后進行訪問權限驗證,如果驗證通過則返回這個方法的直接引用,查找過程結束;如果驗證不通過,則拋出java.lang.illegalAccessError異常

• 如果未找到,就按照繼承關系從下往上依次對類型C的各個父類進行第二步的搜索和驗證過程

• 如果始終沒有找到合適的方法,則拋出java.lang.AbstractMethodError異常

Java語言方法重寫的本質:

invokevirtual指令執行的第一步就是在運行時期確定接收者的實際類型,所以兩次調用中的invokevirtual指令把常量池中的類方法符號引用解析到了不同的直接引用上

這種在運行時期根據實際類型確定方法執行版本的分派過程就叫做動態分派

虛擬機動態分派的實現

虛擬機概念解析的模式就是靜態分派和動態分派,可以理解虛擬機在分派中 "會做什么" 這個問題

虛擬機 "具體是如何做到的" 在各種虛擬機實現上會有差別:

• 由于動態分派是非常頻繁的動作,而且動態分派的方法版本選擇過程需要運行時在類的方法元數據中搜索合適的目標方法

• 因此在虛擬機的實際實現中,為了基于性能的考慮,大部分實現都不會真正的進行如此頻繁的搜索

• 最常用的"穩定優化"的方式是為類在方法區中建立一個虛方法表(Virtual Method Table,即vtable), 使用虛方法表索引代替元數據查找以提高性能

虛方法表中存放著各個方法的實際入口地址:

• 如果某個方法在子類中沒有被重寫,那子類的虛方法表里面的地址入口和父類相同方法的地址入口是一致的,都指向父類的實際入口

• 如果子類中重寫了這個方法,子類方法表中的地址將會替換為指向子類實際方法的入口地址

具有相同簽名的方法,在父類,子類的虛方法表中具有一樣的索引序號:

這樣當類型變換時,僅僅需要變更查找的方法表,就可以從不同的虛方法表中按索引轉換出所需要的入口地址

方法表一般在類加載階段的連接階段進行初始化:

準備了類的變量初始值后,虛擬機會把該類的方法表也初始化完畢

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