（转）JAVA 多态中的方法调用原理

最新推荐文章于 2022-04-30 16:50:07 发布

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本文深入剖析Java多态中的方法调用原理。从多态案例切入，介绍了JVM加载类文件生成类型信息结构体及方法表的过程，阐述方法表中实例方法引用指向及覆盖机制。还分析了堆中对象和栈区引用结构，解释多态下成员变量和方法访问规则，提及接口多态确定实现类的方式。

Java 多态中的方法调用原理

一个多态案例：

class Father{
    protected int age;
    public Father(){
        age = 40;
    }    
    void eat(){
        System.out.println("父亲在吃饭");
    }
}

class Child extends Father{
    protected int age;
    public Child(){
        age = 18;
    }    
    void eat(){
        System.out.println("孩子在吃饭");
    }
    void play(){
        System.out.println("孩子在打CS");
    }
}

public class TestPolymorphic {
    public static void main(String[] args) {
        Father c = new Child();
        c.eat();//result :孩子在吃饭
        //c.play(); //  c.play() cannot be compiled
        System.out.println("年龄："+c.age );//age is 40
        
    }

}

the out print is :

1551960663554

Result:当满足Java多态的三个条件时，可以发现c.eat()调用的实际上是子类的eat，但c.age调用的却是是父类的age，而子类特有方法c.play()则不会通过编译。

我们就从Father c = new Child()这句话切入。

这句话首先会执行new Child(),在堆中分配一个对象。

当然在分配Child类的实例时，先要通过JVM的类加载器将Child类对应的class文件加载到JVM中，然后JVM根据class文件中的字节流产生一个表示class文件中类型信息的结构体。这个表示class文件中类型信息的结构体大概由以下几部分构成：

1、常量池

2、类变量（静态变量）

3、字段信息

4、方法信息

5、类的父类信息

6、类的访问权限信息等

之后，JVM会根据上面这个结构体生成一个叫做方法表的东西。这个方法表是实现java多态的一个关键。

方法表中包含的是实例方法（就是相对于静态方法而言的，用对象访问的那些方法）的直接引用，也就是说通过这个方法表就能够访问到该类的实例方法，

而且，这些实例方法不仅包括本类的方法，还包括其父类的实例方法，以及父类的父类的实例方法（就是一直到Object）。但是这些方法中不包含私有方法（因为私有方法不能继承）

方法表中的这些直接应用会指向到JVM中表示类型信息的那个结构体（就是上面那个结构体）的相应的方法信息（就是上面结构体中4的某个位置），当然这只是本类的方法，表中还有父类的方法，相应地指向父类类型信息结构体的具体位置。下面画个图表示。

1551961087128

Child类的方法表：

首先方法表中，会产生指向继承自Object类的方法的引用，这些包括指向toString的和指向equals的，当然Object中还包括很多方法，这里就不写了

然后方法表中产生指向继承自Parent类的方法的引用，这包括eat()，

最后产生指向本类的方法的引用。

这里需要注意的一点是，当Child类的方法表产生指向Parent类中的方法的引用时，会有一个指向eat()方法的引用，最后产生指向本类的方法的引用时，也有一个指向eat的引用，这时候，新的数据会覆盖原有的数据，也就是说原来指向Parent.eat的那个引用会被替换成指向Child.eat的引用（占据原来表中的位置）。所以我们看到在Child类的方法表中指向的是Child.eat而Parent类的方法表中指向的是Parent.eat。子类的方法表中就没有指向Parent.eat的引用了。

而且还要注意一个特点就是，Parent和Child的方法表中，指向**eat()的引用在表中的偏移量是一样的，**都是第三个位置。（这是因为子类eat方法覆盖掉了父类eat方法，占据了原来父类eat方法的引用在表中的位置）

了解了方法区的结构后，我们来看堆中对象的结构

1551961161986

接下来是栈区，产生Father类型的引用，这个引用指向堆区中的Child类的实例。

这里需要解释一下Father c的含义，我们知道c表示一个引用，这个引用指向堆中的Child类的实例，说白了就是一个地址，这个地址指向堆中的Child的类的实例，但是我们不要忘记前面还有一个Father修饰这个c

我们都知道在c中有void类型的指针，而给指针前面限定一个类型就限制了指针访问内存的方式，比如char * p就表示p只能一个字节一个字节地访问内存，但是int *p中p就必须四个字节四个字节地访问内存。

但是我们都知道指针是不安全的，其中一个不安全因素就是指针可能访问到没有分配的内存空间，也就是说char *虽然限制了p指针访问内存的方式，但是没有限制能访问内存的大小，这一点要完全靠程序员自己掌握。

但是在java的引用中Father不但指定了c以何种方式访问内存，也规定了能够访问内存空间的大小。

我们看Father实例对象的大小是占两行，但Child实例对象占三行（这里就是简单量化一下）。

所以虽然c指向的是Child实例对象，但是前面有Father修饰它，它也只能访问两行的数据，也就是说c根本访问不到Child类中的age！！！只能访问到Father类的age，所以输出40

结论：堆内存中，前面的地址上的内容和父类前面地址上的内容是一样的，由于Father 修饰的引用类型限制了其访问的长度，所有访问不到本类的成员变量。

而且我们注意两个类的方法表：

1551961200117

我们看到Parent的方法表占三行，Child的方法表占4行，c虽然指向了Child类的实例对象，而对象中也有指针指向Child类的方法表，但是由于c受到了Father的修饰，通过c也只能访问到Child方法表中前3行的内容！！！！

然而前面说过，在方法表的形成过程中，子类重写的方法会覆盖掉表中原来的数据，也就是Child类的方法表的第三行是指向Child.eat的引用，而不是指向Parent.eat（因为方法表产生了覆盖），所以c访问到的是Child.eat。也就是子类的方法！！！这种情况下，c是没有办法直接访问到父类的eat方法的。

结论，方法表中前n行和parent类中的前n行是一样的，因为要先继承父类的属性和方法，方法会被重写。子类的特有方法被放在后面。所以多态访问不到子类的特有方法。

所以，如果将该地址重新赋值给一个对应子类的引用（指针），Child c1 = (Child) animal;//对象的向下转型, 该引用（指针）就可以访问子类的特有方法和属性了。

接口的多态是通过搜索方法表的方式来确定一个类是不是该接口的实现类。