Java 底层思考系列：从 JVM 栈帧开始，我真正理解了Java 为什么设计抽象类-优快云博客

从 JVM 栈帧开始，我真正理解了Java 为什么设计抽象类

关键词： JVM、Stack Frame、动态链接、抽象类、多态、方法调用、Java底层原理

最近背 Java 八股时，看到了 JVM 的 栈帧（Stack Frame）。

起初觉得这只是 JVM 的一个知识点：

局部变量表
操作数栈
动态链接
返回地址

后来越想越觉得：

这些东西竟然和 Java 的面向对象设计全部串起来了。

尤其是：

为什么 Java 要设计抽象类？

以前我的回答一直都是：

“为了规范子类。”

今天终于理解：

真正的原因，要从 JVM 如何调用一个方法开始。

一、一个方法调用，到底发生了什么？

例如：

public static void main(String[] args) {
    Animal animal = new Dog();
    animal.eat();
}

以前：

我脑子里的理解只有：

调用 eat()

↓

输出结果

现在：

真正发生的是：

Java代码

↓

编译成 .class

↓

JVM加载类

↓

调用方法

↓

创建栈帧（Stack Frame）

↓

执行字节码

↓

方法结束

↓

栈帧销毁

也就是说：

每调用一个方法，JVM 都会创建一个新的栈帧。

方法结束以后：

栈帧立即弹出。

二、栈帧里面到底有什么？

一个栈帧主要包含四部分。

Stack Frame

├── 局部变量表（Local Variable Table）

├── 操作数栈（Operand Stack）

├── 动态链接（Dynamic Linking）

└── 返回地址（Return Address）

① 局部变量表

负责保存局部变量。

例如：

public static int add(int a,int b){
    int c = a+b;
    return c;
}

那么：

局部变量表

a

b

c

全部保存在这里。

② 操作数栈

负责计算。

例如：

int c = a+b;

JVM 实际会执行：

push a

push b

↓

+

↓

结果压回栈

所以：

所有：

+

-

*

/

%

都依赖操作数栈。

③ 动态链接（Dynamic Linking）

这里看着唬人，其实就一句话秒了：

帮助 JVM 找到真正要执行的方法。

什么意思？

例如：

Animal animal = new Dog();

animal.eat();

变量类型：

Animal

对象类型：

Dog

JVM 怎么知道：

应该执行：

Animal.eat()

还是：

Dog.eat()

答案就是：

动态链接。

运行期间：

JVM 根据对象真正的类型：

找到：

Dog.eat()

然后执行。

这一瞬间，

我突然意识到：

这就是多态工作的底层基础。

④ 返回地址

方法执行结束以后，

CPU 怎么知道回哪里？

例如：

main(){

    add();

    System.out.println("结束");
}

add()

执行完成以后：

并不是程序结束。

而是：

继续执行：

System.out.println("结束");

所以：

栈帧里面还保存着：

返回地址。

三、动态链接，让我重新理解了多态

以前：

觉得多态只是：

Animal animal = new Dog();

今天终于知道：

真正发生的是：

animal.eat()

↓

JVM

↓

动态链接

↓

Dog.eat()

这也是：

为什么：

Java 可以：

父类引用

↓

子类对象

↓

调用子类方法

四、然后我突然想到一个问题

既然：

JVM 会找到真正的方法。

那：

为什么 Java 还需要抽象类？

例如：

class Shape{

    public double area(){
        return 0;
    }

}

这个：

真的合理吗？

圆形：

怎么算面积？

矩形：

怎么算面积？

三角形：

怎么算面积？

父类其实根本不知道。

如果：

写一个：

return 0;

只是：

为了让代码能够编译。

那这个方法：

其实毫无意义。

五、这就是抽象类存在的意义

于是：

Java 提供了：

abstract class Shape{

    public abstract double area();

}

这里：

父类直接告诉所有子类：

我不知道怎么实现。

但是：

你必须实现。

于是：

class Circle extends Shape{

    @Override
    public double area(){

        return Math.PI*r*r;

    }

}

如果：

子类没有实现：

编译直接失败。

这就是：

抽象类真正解决的问题。

它不是：

帮助 JVM。

而是：

帮助程序员。

六、我曾经有一个错误理解

刚开始学习的时候，

我甚至认为：

抽象类是不是为了节省 JVM 内存？

后来查阅 JVM 规范以后，

发现这是错误的。

原因很简单。

抽象方法：

依然存在。

例如：

abstract void eat();

JVM 依然知道：

方法名

参数

返回值

访问权限

只是：

没有方法体（Code Attribute）。

所以：

抽象类几乎不是为了节省内存。

真正的价值是：

表达设计意图。

它告诉所有开发者：

这个行为一定存在。

但是：

父类不知道如何实现。

必须交给子类。

这是：

面向对象设计。

而不是：

JVM 内存优化。

七、整个知识终于串起来了

以前：

这些知识：

在我脑子里都是独立的。

JVM

抽象类

继承

多态

Override

今天终于变成了一张图。

Java代码

↓

编译成字节码

↓

JVM加载类

↓

方法调用

↓

创建栈帧

↓

动态链接

↓

找到真正的方法

↓

为什么需要真正的方法？

↓

因为存在 Override

↓

为什么允许 Override？

↓

因为存在继承

↓

为什么父类没有实现？

↓

因为父类无法提供通用实现

↓

于是：

抽象类诞生

这一刻：

JVM 和 Java 面向对象设计，

终于连接到了一起。