Java學(xué)習(xí)記錄--動態(tài)綁定靜態(tài)綁定的內(nèi)幕
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本文轉(zhuǎn)載自:爪哇人
作者名: Heart.Raid
在Java方法調(diào)用的過程中，JVM是如何知道調(diào)用的是哪個類的方法源代碼根吁？ 這里面到底有什么內(nèi)幕呢秕铛？ 這篇文章我們就將揭露JVM方法調(diào)用的靜態(tài)(static binding) 和動態(tài)綁定機(jī)制(auto binding) 蛹疯。
1.Java的編譯與運(yùn)行
學(xué)習(xí)之前先簡要了解下Java程序的運(yùn)行.
1.編譯過程是將java源文件編譯成字節(jié)碼（jvm可執(zhí)行代碼，即.class文件）的過程，在這個過程中java是不與內(nèi)存打交道的椒袍，在這個過程中編譯器會進(jìn)行語法的分析藕施，如果語法不正確就會報錯寇损。
2.運(yùn)行過程是指jvm（java虛擬機(jī)）裝載字節(jié)碼文件并解釋執(zhí)行。在這個過程才是真正的創(chuàng)立內(nèi)存布局裳食，執(zhí)行java程序矛市。
java字節(jié)碼的執(zhí)行有兩種方式：
（1）即時編譯方式：解釋器先將字節(jié)編譯成機(jī)器碼，然后再執(zhí)行該機(jī)器碼诲祸；
（2）解釋執(zhí)行方式：解釋器通過每次解釋并執(zhí)行一小段代碼來完成java字節(jié)碼程序的所有操作浊吏。（這里我們可以看出java程序在執(zhí)行過程中其實是進(jìn)行了兩次轉(zhuǎn)換，先轉(zhuǎn)成字節(jié)碼再轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼救氯。這也正是java能一次編譯找田，到處運(yùn)行的原因。在不同的平臺上裝上對應(yīng)的java虛擬機(jī)着憨，就可以實現(xiàn)相同的字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成不同平臺上的機(jī)器碼墩衙，從而在不同的平臺上運(yùn)行）
2.靜態(tài)綁定機(jī)制
Java代碼:
//被調(diào)用的類
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類的常量池中第13個常量表的索引項(關(guān)于常量池詳見《Class文件內(nèi)容及常量池 》)。這個常量表(CONSTATN_Methodref_info ) 記錄的是方法f1信息的符號引用(包括f1所在的類名漆改，方法名和返回類型)心铃。JVM會首先根據(jù)這個符號引用找到方法f1所在的類的全限定名: hr.test.Father。
(2) 緊接著JVM會加載籽懦、鏈接和初始化Father類于个。
(3) 然后在Father類所在的方法區(qū)中找到f1()方法的直接地址，并將這個直接地址記錄到StaticCall類的常量池索引為13的常量表中暮顺。這個過程叫常量池解析厅篓，以后再次調(diào)用Father.f1()時，將直接找到f1方法的字節(jié)碼捶码。
(4) 完成了StaticCall類常量池索引項13的常量表的解析之后羽氮，JVM就可以調(diào)用f1()方法，并開始解釋執(zhí)行f1()方法中的指令了惫恼。
通過上面的過程档押，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過常量池解析之后，JVM就能夠確定要調(diào)用的f1()方法具體在內(nèi)存的什么位置上了祈纯。實際上令宿，這個信息在編譯階段就已經(jīng)在StaticCall類的常量池中記錄了下來。這種在編譯階段就能夠確定調(diào)用哪個方法的方式腕窥，我們叫做 靜態(tài)綁定機(jī)制 粒没。
除了被static 修飾的靜態(tài)方法，所有被private 修飾的私有方法簇爆、被final 修飾的禁止子類覆蓋的方法都會被編譯成invokestatic指令癞松。另外所有類的初始化方法<init>和<clinit>會被編譯成invokespecial指令。JVM會采用靜態(tài)綁定機(jī)制來順利的調(diào)用這些方法入蛆。
3.動態(tài)綁定機(jī)制
Java源碼:
package hr.test;
//被調(diào)用的父類
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
class Son extends Father{
public void f1(){ //覆蓋父類的方法
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重要的概念：多態(tài)(polymorphism) 响蓉、方法覆蓋 、方法重載 哨毁。打印的結(jié)果大家也都比較清楚枫甲，但是JVM是如何知道f.f1()調(diào)用的是子類Sun中方法而不是Father中的方法呢？在解釋這個問題之前挑庶，我們首先簡單的講下JVM管理的一個非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——方法表 言秸。
上圖中的方法表有兩個特點：
(1) 子類方法表中繼承了父類的方法，比如Father extends Object迎捺。
(2) 相同的方法(相同的方法簽名：方法名和參數(shù)列表)在所有類的方法表中的索引相同举畸。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項中。
對于上面的源代碼凳枝，編譯器首先會把main方法編譯成下面的字節(jié)碼指令：
0 new hr.test.Son [13] //在堆中開辟一個Son對象的內(nèi)存空間徽曲，并將對象引用壓入操作數(shù)棧
3 dup
4 invokespecial #7 [15] // 調(diào)用初始化方法來初始化堆中的Son對象
7 astore_1 //彈出操作數(shù)棧的Son對象引用壓入局部變量1中
8 aload_1 //取出局部變量1中的對象引用壓入操作數(shù)棧
9 invokevirtual #15 //調(diào)用f1()方法
12 return
其中invokevirtual指令的詳細(xì)調(diào)用過程是這樣的：
(1) invokevirtual指令中的#15指的是AutoCall類的常量池中第15個常量表的索引項。這個常量表(CONSTATN_Methodref_info)記錄的是方法f1信息的符號引用(包括f1所在的類名薯酝，方法名和返回類型)。JVM會首先根據(jù)這個符號引用找到調(diào)用方法f1的類的全限定名:hr.test.Father砂代。這是因為調(diào)用方法f1的類的對象father聲明為Father類型。
(2) 在Father類型的方法表中查找方法f1率挣，如果找到刻伊，則將方法f1在方法表中的索引項11(如上圖)記錄到AutoCall類的常量池中第15個常量表中(常量池解析)。這里有一點要注意：如果Father類型方法表中沒有方法f1椒功，那么即使Son類型中方法表有捶箱，編譯的時候也通過不了。因為調(diào)用方法f1的類的對象father的聲明為Father類型动漾。
(3) 在調(diào)用invokevirtual指令前有一個aload_1指令丁屎，它會將開始創(chuàng)建在堆中的Son對象的引用壓入操作數(shù)棧。然后invokevirtual指令會根據(jù)這個Son對象的引用首先找到堆中的Son對象旱眯，然后進(jìn)一步找到Son對象所屬類型的方法表晨川。過程如下圖所示：
(4) 這是通過第(2)步中解析完成的#15常量表中的方法表的索引項11，可以定位到Son類型方法表中的方法f1()删豺，然后通過直接地址找到該方法字節(jié)碼所在的內(nèi)存空間共虑。
很明顯，根據(jù)對象(father)的聲明類型(Father)還不能夠確定調(diào)用方法f1的位置呀页，必須根據(jù)father在堆中實際創(chuàng)建的對象類型Son來確定f1方法所在的位置看蚜。這種在程序運(yùn)行過程中，通過動態(tài)創(chuàng)建的對象的方法表來定位方法的方式赔桌，我們叫做 動態(tài)綁定機(jī)制 。
上面的過程很清楚的反映出在方法覆蓋的多態(tài)調(diào)用的情況下渴逻，JVM是如何定位到準(zhǔn)確的方法的疾党。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類型)
Java源碼:
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
}
}
問題是Fahter類型中并沒有方法簽名為f1(char)的方法呀惨奕。但打印結(jié)果顯示JVM調(diào)用了Father類型中的f1(int)方法雪位，并沒有調(diào)用到Son類型中的f1(char)方法。
根據(jù)上面詳細(xì)闡述的調(diào)用過程梨撞，首先可以明確的是：JVM首先是根據(jù)對象father聲明的類型Father來解析常量池的(也就是用Father方法表中的索引項來代替常量池中的符號引用)雹洗。如果Father中沒有匹配到"合適" 的方法，就無法進(jìn)行常量池解析卧波，這在編譯階段就通過不了时肿。
那么什么叫"合適"的方法呢？當(dāng)然港粱，方法簽名完全一樣的方法自然是合適的螃成。但是如果方法中的參數(shù)類型在聲明的類型中并不能找到呢旦签？比如上面的代碼中調(diào)用father.f1(char)，F(xiàn)ather類型并沒有f1(char)的方法簽名寸宏。實際上宁炫，JVM會找到一種“湊合”的辦法，就是通過參數(shù)的自動轉(zhuǎn)型 來找 到“合適”的方法氮凝。比如char可以通過自動轉(zhuǎn)型成int羔巢，那么Father類中就可以匹配到這個方法了 (關(guān)于Java的自動轉(zhuǎn)型問題可以參見《【解惑】Java類型間的轉(zhuǎn)型 》)。但是還有一個問題罩阵，如果通過自動轉(zhuǎn)型發(fā)現(xiàn)可以“湊合”出兩個方法的話怎么辦竿秆？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型，那么JVM如何確定“合適”的方法呢永脓。一個很重要的標(biāo)準(zhǔn)就是：如果一個方法可以接受傳遞給另一個方法的任何參數(shù)袍辞，那么第一個方法就相對不合適。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)方法常摧，而反之卻不行搅吁，那么f1(double[])方法就更合適。因此JVM就會調(diào)用這個更合適的方法落午。
4.總結(jié)
(1) 所有私有方法谎懦、靜態(tài)方法、構(gòu)造器及初始化方法<clinit>都是采用靜態(tài)綁定機(jī)制溃斋。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引用界拦，JVM運(yùn)行的時候只需要進(jìn)行一次常量池解析即可。
(2) 類對象方法的調(diào)用必須在運(yùn)行過程中采用動態(tài)綁定機(jī)制梗劫。
首先享甸，根據(jù)對象的聲明類型(對象引用的類型)找到“合適”的方法。具體步驟如下：
① 如果能在聲明類型中匹配到方法簽名完全一樣(參數(shù)類型一致)的方法梳侨，那么這個方法是最合適的蛉威。
② 在第①條不能滿足的情況下，尋找可以“湊合”的方法走哺。標(biāo)準(zhǔn)就是通過將參數(shù)類型進(jìn)行自動轉(zhuǎn)型之后再進(jìn)行匹配蚯嫌。如果匹配到多個自動轉(zhuǎn)型后的方法簽名f(A)和f(B)，則用下面的標(biāo)準(zhǔn)來確定合適的方法：傳遞給f(A)方法的參數(shù)都可以傳遞給f(B)丙躏，則f(A)最合適择示。反之f(B)最合適 。
③ 如果仍然在聲明類型中找不到“合適”的方法晒旅，則編譯階段就無法通過栅盲。然后，根據(jù)在堆中創(chuàng)建對象的實際類型找到對應(yīng)的方法表敢朱，從中確定具體的方法在內(nèi)存中的位置剪菱。
5.補(bǔ)充
5.1覆寫（override）
一個實例方法可以覆寫（override）在其超類中可訪問到的具有相同簽名的所有實例方法摩瞎，從而使能了動態(tài)分派（dynamicdispatch）；換句話說孝常，VM將基于實例的運(yùn)行期類型來選擇要調(diào)用的覆寫方法旗们。覆寫是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)的基礎(chǔ)，并且是唯一沒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(){}
}
5.2隱藏（hide）
一個域构灸、靜態(tài)方法或成員類型可以分別隱藏（hide）在其超類中可訪問到的具有相同名字（對方法而言就是相同的方法簽名)的所有域上渴、靜態(tài)方法或成員類型。隱藏一個成員將阻止其被繼承喜颁。
class Base{
public static void f(){}
}
class Derived extends Base {
private static void f(){} //hides Base. f()
}
5.3重載（overload）
在某個類中的方法可以重載（overload）另一個方法稠氮，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半开。
class CircuitBreaker{
public void f (int i){} //int overloading
public void f(String s){} //String overloading
}
5.4遮蔽（shadow）
一個變量隔披、方法或類型可以分別遮蔽（shadow）在一個閉合的文本范圍內(nèi)的具有相同名字的所有變量、方法或類型寂拆。如果一個實體被遮蔽了奢米，那么你用它的簡單名是無法引用到它的;根據(jù)實體的不同，有時你根本就無法引用到它纠永。
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鬓长，但是有一種通用的慣用法確實涉及遮蔽。構(gòu)造器經(jīng)常將來自其所在類的某個域名重用為一個參數(shù)尝江，以傳遞這個命名域的值涉波。這種慣用法并不是沒有風(fēng)險，但是大多數(shù)Java程序員都認(rèn)為這種風(fēng)格帶來的實惠要超過其風(fēng)險:
class Belt{
private find int size ; //Parameter shadows Belt. size
public Belt (int size){
this. size=size;
}
}
5.5遮掩（obscure）
一個變量可以遮掩具有相同名字的一個類型炭序，只要它們都在同一個范圍內(nèi):如果這個名字被用于變量與類型都被許可的范圍啤覆，那么它將引用到變量上。相似地惭聂，一個變量或一個類型可以遮掩一個包城侧。遮掩是唯一一種兩個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:變量彼妻、包、方法或類型豆茫。如果一個類型或一個包被遮掩了侨歉，那么你不能通過其簡單名引用到它，除非是在這樣一個上下文環(huán)境中揩魂，即語法只允許在其名字空間中出現(xiàn)一種名字幽邓。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!”);
}
}
