聊聊JVM虛方法表和方法呼叫

作者：小牛呼嚕嚕 | https://xiaoniuhululu.com
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大家好，我是呼嚕嚕，好久沒更新文章了，今天我們來填個坑，在之前的一篇文章深挖⾯向物件程式設計三⼤特性 --封裝、繼承、多型中
我們遺留了一個問題：當父類別參照指向子類物件時，JVM是如何知曉呼叫的是哪個子類的方法？

動態繫結和靜態繫結

我們下文還是用之前文章的例子，簡單修改一下：

public class ClassTest {

    static class Animal {
        public void eat(){
            System.out.println("動物吃飯！");
        }
        public void work(){
            System.out.println("動物可以幫助人類幹活！");
        }
    }

    static class Cat extends Animal {
        public void eat() {
            System.out.println("吃魚");
        }
        public void sleep() {
            System.out.println("貓會睡懶覺");
        }
    }

    static class Dog extends Animal {
        public void eat() {
            System.out.println("吃骨頭");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Animal cat=new Cat();
        cat.eat();
        cat.work();
    	  //cat.sleep();//此處編譯會報錯。
    }

}

當父類別參照指向子類物件時，也就是Animal cat=new Cat();這個也叫做向上轉型，重寫式多型。

這種多型其實是通過動態繫結（dynamic binding）技術來實現，是指在執行期間判斷所參照物件的實際型別，根據其實際的型別呼叫其相應的方法。也就是說，只有程式執行起來，你才知道呼叫的是哪個子類的方法。這種多型可通過函數的重寫以及向上轉型來實現。

與動態繫結相對應的就是靜態繫結，指的是在JVM解析時便能夠直接識別目標方法的情況。網上有些文章說，過載和靜態繫結直接掛鉤，這其實是不完全正確的，筆者舉個極端的例子：當某個類中的過載方法被它的子類重寫時，那它其實通過了動態繫結。

過載指的是方法名相同而引數型別不相同的方法之間的關係，重寫指的是方法名相同並且引數型別也相同的方法之間的關係

需要注意的是：本文一直在說程式在執行期間發生的事，而方法呼叫在靜態階段（編譯）以宣告的靜態型別為準，不管符號參照指向的是哪個範例物件。編譯成位元組碼再進入JVM,進行類載入

我們回到剛剛的例子上：
cat.eat();這句的結果列印：吃魚。程式這塊呼叫我們子類Cat定義的方法，而不是父類別的同名方法。
cat.work();這句的結果列印：動物可以幫助人類幹活！我們上面Cat類沒有定義work方法，但是卻使用了父類別的方法，這是不是很神奇。其實此處調的是父類別的同名方法
cat.sleep();這句編譯器會提示編譯報錯。表明：當我們當子類的物件作為父類別的參照使用時，只能存取子類中和父類別中都有的方法，而無法去存取子類中特有的方法。雖然向上轉型是安全的。但是缺點是：一旦向上轉型，子類會丟失的子類的擴充套件方法，其實就是子類中原本特有的方法就不能再被呼叫了。所以cat.sleep()這句會編譯報錯。

由此我們可以發現規律：當發生向上轉型，去呼叫方法時，首先檢查父類別中是否有該方法，如果沒有，則編譯錯誤；如果有，再去呼叫子類的同名方法。如果子類沒有同名方法，會再次去調父類別中的該方法。這種根據物件的實際型別而不是宣告型別來選擇並呼叫方法的過程也叫做動態分派(Dynamic Dispatch)

但如果直接這樣去查詢，會發生迴圈查詢，效率較低，為了解決這個問題，虛方法表 就出現了，也就是動態繫結的底層原理。

虛方法表與虛方法

JVM 虛方法表（Virtual Method Table）,也稱為vtable,是動態排程用來依次呼叫虛方法的一種表結構，是一種特殊的索引表。

物件導向程式設計，會頻繁地觸發動態分派，如果每次動態分配的過程都要重新在類的方法後設資料中搜尋合適的目標的方法，就可能影響到執行效率，所以JVM選擇了用空間換取時間的策略來實現動態繫結，為每個類生成一張虛方法表，然後直接通過虛方法表，使用索引來代替迴圈查詢，快速定位目標方法。

在類載入器與雙親委派機制一網打盡一文中，我們知道類的生命週期一般有如下圖有7個階段，其中階段1-5為類載入過程，驗證、準備、解析統稱為連線

虛方法表會在類載入的連線階段被建立，JVM掃描類的方法資訊，識別哪些是虛方法，並在虛方法表中儲存其對應的方法的相關資訊以及這些方法在虛擬機器器記憶體方法區中的入口地址。這入口地址就是該方法的虛擬方法表的索引，JVM可以通過這個索引地址找到對應的方法。也就是說，每個類的物件都會擁有自己的虛方法表

那什麼是虛方法和非虛方法？

非虛方法：如果方法在編譯期就確定了具體的呼叫版本，則這個版本在執行時是不可變的，這樣的方法稱為非虛方法靜態方法。
比如私有方法，final 方法，範例構造器，父類別方法都是非虛方法，除了這些以外都是虛方法

當Java中發生向上轉型，呈現重寫式多型時，如果子類沒有重寫父類別方法，子類並不會複製一份父類別的方法到自己的虛方法表中，就會去父類別的虛方法表中查詢目標方法。

子類的重寫的方法和父類別中的同名方法在位元組碼層面方法索引通常來說是一樣的，如果在子類找到方法eat(),其索引是0，發現不是要呼叫的方法後，而是要呼叫父類別的eat(),就會直接去父類別方法索引為0的地方查詢，這樣能進一步提高查詢效率。

JVM方法呼叫的指令

從JVM底層來了解方法呼叫，我們還需知曉在JVM中和方法呼叫有關的指令有5種：

invokeinterface:呼叫介面中的方法，實際上是在執行期決定的，決定到底呼叫實現該介面的哪個物件的特定方法。
invokestatic:呼叫靜態方法。
invokespecial: 呼叫私有實體方法、構造器方法；使用super關鍵詞呼叫父類別的實體方法、構造器；呼叫所實現介面的default方法
invokevirtual:呼叫非私有實體方法，也就是虛方法，執行期動態查詢的過程。
invokedynamic: 呼叫動態方法，JDK7新加入的一個虛擬機器器指令，相比於之前的四條指令，他們的分派邏輯都是固化在JVM內部，而invokedynamic則用於處理新的方法分派：它允許應用級別的程式碼來確定執行哪一個方法呼叫，只有在呼叫要執行的時候，才會進行這種判斷,從而達到動態語言的支援。(Invoke dynamic method)

我們javap來反編譯上文例子生成的class檔案ClassTest.class:

 public com.zj.ideaprojects.demo.test4.ClassTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.Exception;
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #2                  // class com/zj/ideaprojects/demo/test4/ClassTest$Cat
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method com/zj/ideaprojects/demo/test4/ClassTest$Cat."<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: invokevirtual #4                  // Method com/zj/ideaprojects/demo/test4/ClassTest$Animal.eat:()V
        12: aload_1
        13: invokevirtual #5                  // Method com/zj/ideaprojects/demo/test4/ClassTest$Animal.work:()V
        16: return
      LineNumberTable:
        line 30: 0
        line 31: 8
        line 32: 12
        line 34: 16
    Exceptions:
      throws java.lang.Exception

我們可以發現： Java 中所有非私有實體方法呼叫都會被編譯成 invokevirtual指令，而介面方法呼叫都會被編譯成 invokeinterface 指令。這兩種指令，均屬於Java 虛擬機器器中的虛方法呼叫，會進行函數的動態繫結。

invokevirtual指令在執行時，首先在執行期確定方法接收者的實際型別，並不是把常數池中方法的符號參照（在這裡相當於常數池裡的方法資訊）解析到直接參照上就結束了，而是接著根據方法接收者的實際型別來選擇方法版本，這個過程也就是Java多型的本質。

針對於invokeinterface指令來說，虛擬機器器會建立一個叫做介面方法表的資料結構(interface method table，簡稱itable)，和虛方法表類似。

另外，當我們瞭解invokespecial指令,invokestatic指令時，可以知曉，父類別參照在呼叫靜態方法，私有方法或是介面default方法是不會發生多型，而是直接呼叫宣告型別的方法。

在Java 8中Lambda表示式和預設方法時，底層會生成和使用invokedynamic，很有意思的一個指令，本文就不詳細介紹該指令了，以後有機會再講講。

小結

小結一下，本文主要講解了方法呼叫在Java虛擬機器器的實現方式，以及虛方法表在 JVM 方法呼叫中充當了一箇中介的角色，使得 JVM 能夠實現多型性和動態分派。最後帶大家瞭解一下JVM常見的方法呼叫的指令，Java可不僅僅只有CRUD哦

參考資料：

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html

《Java虛擬機器器規範》

《深入理解Java虛擬機器器：JVM高階特性與最佳實踐第3版》

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原文映象：聊聊JVM虛方法表和方法呼叫

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