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在Java方法調(diào)用的過(guò)程中，JVM是如何知道調(diào)用的是哪個(gè)類(lèi)的方法源代碼？ 這里面到底有什么內(nèi)幕呢？ 這篇文章我們就將揭露JVM方法調(diào)用的靜態(tài)(static binding) 和動(dòng)態(tài)綁定機(jī)制(auto binding) 。
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靜態(tài)綁定機(jī)制
- //被調(diào)用的類(lèi)
- package hr.test;
- class Father{
- public static void f1(){
- System.out.println("Father— f1()"); } } //調(diào)用靜態(tài)方法 import hr.test.Father; public class StaticCall{ public static void main(){ Father.f1(); //調(diào)用靜態(tài)方法
- }
- }
上面的源代碼中執(zhí)行方法調(diào)用的語(yǔ)句(Father.f1())被編譯器編譯成了一條指令：invokestatic #13。我們看看JVM是如何處理這條指令的
(1) 指令中的#13指的是StaticCall類(lèi)的常量池中第13個(gè)常量表的索引項(xiàng)(關(guān)于常量池詳見(jiàn)《Class文件內(nèi)容及常量池 》)。這個(gè)常量表(CONSTATN_Methodref_info) 記錄的是方法f1信息的符號(hào)引用(包括f1所在的類(lèi)名，方法名和返回類(lèi)型)。JVM會(huì)首先根據(jù)這個(gè)符號(hào)引用找到方法f1所在的類(lèi)的全限定名: hr.test.Father；
(2) 緊接著JVM會(huì)加載、鏈接和初始化Father類(lèi)；
(3) 然后在Father類(lèi)所在的方法區(qū)中找到f1()方法的直接地址，并將這個(gè)直接地址記錄到StaticCall類(lèi)的常量池索引為13的常量表中。這個(gè)過(guò)程叫常量池解析，以后再次調(diào)用Father.f1()時(shí)，將直接找到f1方法的字節(jié)碼；
(4) 完成了StaticCall類(lèi)常量池索引項(xiàng)13的常量表的解析之后，JVM就可以調(diào)用f1()方法，并開(kāi)始解釋執(zhí)行f1()方法中的指令了。
通過(guò)上面的過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)常量池解析之后，JVM就能夠確定要調(diào)用的f1()方法具體在內(nèi)存的什么位置上了。實(shí)際上，這個(gè)信息在編譯階段就已經(jīng)在StaticCall類(lèi)的常量池中記錄了下來(lái)。這種在編譯階段就能夠確定調(diào)用哪個(gè)方法的方式，我們叫做靜態(tài)綁定機(jī)制。
除了被static 修飾的靜態(tài)方法，所有被private 修飾的私有方法、被final 修飾的禁止子類(lèi)覆蓋的方法都會(huì)被編譯成invokestatic指令。另外所有類(lèi)的初始化方法
動(dòng)態(tài)綁定機(jī)制
- package hr.test;
- //被調(diào)用的父類(lèi)
- class Father{
- public void f1(){
- System.out.println("father-f1()"); } public void f1(int i){ System.out.println("father-f1() para-int "+i); } } //被調(diào)用的子類(lèi) class Son extends Father{ public void f1(){ //覆蓋父類(lèi)的方法 System.out.println("Son-f1()"); } public void f1(char c){ System.out.println("Son-s1() para-char "+c); } } //調(diào)用方法 import hr.test.*; public class AutoCall{ public static void main(String[] args){ Father father=new Son(); //多態(tài) father.f1(); //打印結(jié)果： Son-f1()
- }
- }
上面的源代碼中有三個(gè)重要的概念：多態(tài)(polymorphism)、方法覆蓋 、方法重載。打印的結(jié)果大家也都比較清楚，但是JVM是如何知道f.f1()調(diào)用的是子類(lèi)Sun中方法而不是Father中的方法呢？在解釋這個(gè)問(wèn)題之前，我們首先簡(jiǎn)單的講下JVM管理的一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——方法表。
在JVM加載類(lèi)的同時(shí)，會(huì)在方法區(qū)中為這個(gè)類(lèi)存放很多信息(詳見(jiàn)《Java 虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu) 》)。其中就有一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫方法表。它以數(shù)組的形式記錄了當(dāng)前類(lèi)及其所有超類(lèi)的可見(jiàn)方法字節(jié)碼在內(nèi)存中的直接地址 。下圖是上面源代碼中Father和Sun類(lèi)在方法區(qū)中的方法表：
上圖中的方法表有兩個(gè)特點(diǎn)：(1) 子類(lèi)方法表中繼承了父類(lèi)的方法，比如Father extends Object。 (2) 相同的方法(相同的方法簽名：方法名和參數(shù)列表)在所有類(lèi)的方法表中的索引相同。比如Father方法表中的f1()和Son方法表中的f1()都位于各自方法表的第11項(xiàng)中。
對(duì)于上面的源代碼，編譯器首先會(huì)把main方法編譯成下面的字節(jié)碼指令：
0 new hr.test.Son [13] //在堆中開(kāi)辟一個(gè)Son對(duì)象的內(nèi)存空間，并將對(duì)象引用壓入操作數(shù)棧
3 dup
4 invokespecial #7 [15] // 調(diào)用初始化方法來(lái)初始化堆中的Son對(duì)象
7 astore_1 //彈出操作數(shù)棧的Son對(duì)象引用壓入局部變量1中
8 aload_1 //取出局部變量1中的對(duì)象引用壓入操作數(shù)棧
9 invokevirtual #15 //調(diào)用f1()方法
12 return
其中invokevirtual指令的詳細(xì)調(diào)用過(guò)程是這樣的：
(1) invokevirtual指令中的#15指的是AutoCall類(lèi)的常量池中第15個(gè)常量表的索引項(xiàng)。這個(gè)常量表(CONSTATN_Methodref_info) 記錄的是方法f1信息的符號(hào)引用(包括f1所在的類(lèi)名，方法名和返回類(lèi)型)。JVM會(huì)首先根據(jù)這個(gè)符號(hào)引用找到調(diào)用方法f1的類(lèi)的全限定名: hr.test.Father。這是因?yàn)檎{(diào)用方法f1的類(lèi)的對(duì)象father聲明為Father類(lèi)型。
(2) 在Father類(lèi)型的方法表中查找方法f1，如果找到，則將方法f1在方法表中的索引項(xiàng)11(如上圖)記錄到AutoCall類(lèi)的常量池中第15個(gè)常量表中(常量池解析)。這里有一點(diǎn)要注意：如果Father類(lèi)型方法表中沒(méi)有方法f1，那么即使Son類(lèi)型中方法表有，編譯的時(shí)候也通過(guò)不了。因?yàn)檎{(diào)用方法f1的類(lèi)的對(duì)象father的聲明為Father類(lèi)型。
(3) 在調(diào)用invokevirtual指令前有一個(gè)aload_1指令，它會(huì)將開(kāi)始創(chuàng)建在堆中的Son對(duì)象的引用壓入操作數(shù)棧。然后invokevirtual指令會(huì)根據(jù)這個(gè)Son對(duì)象的引用首先找到堆中的Son對(duì)象，然后進(jìn)一步找到Son對(duì)象所屬類(lèi)型的方法表。過(guò)程如下圖所示：
(4) 這是通過(guò)第(2)步中解析完成的#15常量表中的方法表的索引項(xiàng)11，可以定位到Son類(lèi)型方法表中的方法f1()，然后通過(guò)直接地址找到該方法字節(jié)碼所在的內(nèi)存空間。
很明顯，根據(jù)對(duì)象(father)的聲明類(lèi)型(Father)還不能夠確定調(diào)用方法f1的位置，必須根據(jù)father在堆中實(shí)際創(chuàng)建的對(duì)象類(lèi)型Son來(lái)確定f1方法所在的位置。這種在程序運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的對(duì)象的方法表來(lái)定位方法的方式，我們叫做 動(dòng)態(tài)綁定機(jī)制。
上面的過(guò)程很清楚的反映出在方法覆蓋的多態(tài)調(diào)用的情況下，JVM是如何定位到準(zhǔn)確的方法的。但是下面的調(diào)用方法JVM是如何定位的呢？(仍然使用上面代碼中的Father和Son類(lèi)型)
- public class AutoCall{
- public static void main(String[] args){
- Father father=new Son();
- char c='a';
- father.f1(c); //打印結(jié)果：father-f1() para-int 97
- }
- }
問(wèn)題是Fahter類(lèi)型中并沒(méi)有方法簽名為f1(char)的方法呀。但打印結(jié)果顯示JVM調(diào)用了Father類(lèi)型中的f1(int)方法，并沒(méi)有調(diào)用到Son類(lèi)型中的f1(char)方法。
根據(jù)上面詳細(xì)闡述的調(diào)用過(guò)程，首先可以明確的是：JVM首先是根據(jù)對(duì)象father聲明的類(lèi)型Father來(lái)解析常量池的(也就是用Father方法表中的索引項(xiàng)來(lái)代替常量池中的符號(hào)引用)。如果Father中沒(méi)有匹配到”合適” 的方法，就無(wú)法進(jìn)行常量池解析，這在編譯階段就通過(guò)不了。
那么什么叫”合適”的方法呢？當(dāng)然，方法簽名完全一樣的方法自然是合適的。但是如果方法中的參數(shù)類(lèi)型在聲明的類(lèi)型中并不能找到呢？比如上面的代碼中調(diào)用father.f1(char)，F(xiàn)ather類(lèi)型并沒(méi)有f1(char)的方法簽名。實(shí)際上，JVM會(huì)找到一種“湊合”的辦法，就是通過(guò) 參數(shù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)型來(lái)找 到“合適”的 方法。比如char可以通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)型成int，那么Father類(lèi)中就可以匹配到這個(gè)方法了 (關(guān)于Java的自動(dòng)轉(zhuǎn)型問(wèn)題可以參見(jiàn)《【解惑】Java類(lèi)型間的轉(zhuǎn)型》)。但是還有一個(gè)問(wèn)題，如果通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)型發(fā)現(xiàn)可以“湊合”出兩個(gè)方法的話怎么辦？比如下面的代碼：
- class Father{
- public void f1(Object o){
- System.out.println("Object"); } public void f1(double[] d){ System.out.println("double[]"); } } public class Demo{ public static void main(String[] args) { new Father().f1(null); //打印結(jié)果： double[]
- }
- }
null可以引用于任何的引用類(lèi)型，那么JVM如何確定“合適”的方法呢。一個(gè)很重要的標(biāo)準(zhǔn)就是：如果一個(gè)方法可以接受傳遞給另一個(gè)方法的任何參數(shù)，那么***個(gè)方法就相對(duì)不合適。比如上面的代碼: 任何傳遞給f1(double[])方法的參數(shù)都可以傳遞給f1(Object)方法，而反之卻不行，那么f1(double[])方法就更合適。因此JVM就會(huì)調(diào)用這個(gè)更合適的方法。
總結(jié)
(1) 所有私有方法、靜態(tài)方法、構(gòu)造器及初始化方法
都是采用靜態(tài)綁定機(jī)制。在編譯器階段就已經(jīng)指明了調(diào)用方法在常量池中的符號(hào)引用，JVM運(yùn)行的時(shí)候只需要進(jìn)行一次常量池解析即可。 (2) 類(lèi)對(duì)象方法的調(diào)用必須在運(yùn)行過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)綁定機(jī)制。
首先，根據(jù)對(duì)象的聲明類(lèi)型(對(duì)象引用的類(lèi)型)找到“合適”的方法。具體步驟如下：
① 如果能在聲明類(lèi)型中匹配到方法簽名完全一樣(參數(shù)類(lèi)型一致)的方法，那么這個(gè)方法是最合適的。
② 在第①條不能滿(mǎn)足的情況下，尋找可以“湊合”的方法。標(biāo)準(zhǔn)就是通過(guò)將參數(shù)類(lèi)型進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)型之后再進(jìn)行匹配。如果匹配到多個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)型后的方法簽名f(A)和f(B)，則用下面的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定合適的方法：傳遞給f(A)方法的參數(shù)都可以傳遞給f(B)，則f(A)最合適。反之f(B)最合適 。
③ 如果仍然在聲明類(lèi)型中找不到“合適”的方法，則編譯階段就無(wú)法通過(guò)。
然后，根據(jù)在堆中創(chuàng)建對(duì)象的實(shí)際類(lèi)型找到對(duì)應(yīng)的方法表，從中確定具體的方法在內(nèi)存中的位置。
覆寫(xiě)（override）
一個(gè)實(shí)例方法可以覆寫(xiě)（override）在其超類(lèi)中可訪問(wèn)到的具有相同簽名的所有實(shí)例方法，從而使能了動(dòng)態(tài)分派（dynamic dispatch）；換句話說(shuō)，VM將基于實(shí)例的運(yùn)行期類(lèi)型來(lái)選擇要調(diào)用的覆寫(xiě)方法。覆寫(xiě)是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)的基礎(chǔ)，并且是***沒(méi)有被普遍勸阻的名字重用形式：
- class Base{
- public void f(){}
- }
- class Derived extends Base{
- public void f(){}
- }
隱藏（hide）
一個(gè)域、靜態(tài)方法或成員類(lèi)型可以分別隱藏（hide）在其超類(lèi)中可訪問(wèn)到的具有相同名字（對(duì)方法而言就是相同的方法簽名)的所有域、靜態(tài)方法或成員類(lèi)型。隱藏一個(gè)成員將阻止其被繼承。
- class Base{
- public static void f(){}
- }
- class Derived extends Base {
- private static void f(){} //hides Base. f()
- }
重載（overload）
在某個(gè)類(lèi)中的方法可以重載（overload）另一個(gè)方法，只要它們具有相同的名字和不同的簽名。由調(diào)用所指定的重載方法是在編譯期選定的。
- class CircuitBreaker{
- public void f (int i){} //int overloading
- public void f(String s){} //String overloading
- }
遮蔽（shadow）
一個(gè)變量、方法或類(lèi)型可以分別遮蔽（shadow）在一個(gè)閉合的文本范圍內(nèi)的具有相同名字的所有變量、方法或類(lèi)型。如果一個(gè)實(shí)體被遮蔽了，那么你用它的簡(jiǎn)單名是無(wú)法引用到它的;根據(jù)實(shí)體的不同，有時(shí)你根本就無(wú)法引用到它。
- class WhoKnows{
- static String sentence=”I don't know.”;
- public static void main(String[] args〕{
- String sentence=”I don't know.”; //shadows static field
- System.out. println (sentence); // prints local variable
- }
- }
盡管遮蔽通常是被勸阻的，但是有一種通用的慣用法確實(shí)涉及遮蔽。構(gòu)造器經(jīng)常將來(lái)自其所在類(lèi)的某個(gè)域名重用為一個(gè)參數(shù)，以傳遞這個(gè)命名域的值。這種慣用法并不是沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，但是大多數(shù)Java程序員都認(rèn)為這種風(fēng)格帶來(lái)的實(shí)惠要超過(guò)
其風(fēng)險(xiǎn):
- class Belt{
- private find int size ; //Parameter shadows Belt. size
- public Belt (int size){
- this. size=size;
- }
- }
遮掩（obscure）
一個(gè)變量可以遮掩具有相同名字的一個(gè)類(lèi)型，只要它們都在同一個(gè)范圍內(nèi):如果這個(gè)名字被用于變量與類(lèi)型都被許可的范圍，那么它將引用到變量上。相似地，一個(gè)變量或一個(gè)類(lèi)型可以遮掩一個(gè)包。遮掩是***一種兩個(gè)名字位于不同的名字空間的名字重用形式，這些名字空間包括:變量、包、方法或類(lèi)型。如果一個(gè)類(lèi)型或一個(gè)包被遮掩了，那么你不能通過(guò)其簡(jiǎn)單名引用到它，除非是在這樣一個(gè)上下文環(huán)境中，即語(yǔ)法只允許在其名字空間中出現(xiàn)一種名字。遵守命名習(xí)慣就可以極大地消除產(chǎn)生遮掩的可能性:
- public class Obscure{
- static String System;// Obscures type java.lang.System
- public static void main(String[] args)
- // Next line won't compile:System refers to static field
- System. out. println(“hello, obscure world!”);
- }
- }
本文完！
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