「Java 路線」| 方法調(diào)用的本質(zhì)（含重載與重寫區(qū)別）

點贊關(guān)注，不再迷路培己，你的支持對我意義重大胚泌！

?? Hi，我是丑丑零蓉。本文「Java 路線」| 導(dǎo)讀 —— 他山之石敌蜂，可以攻玉已收錄津肛，這里有 Android 進階成長路線筆記 & 博客，歡迎跟著彭丑丑一起成長秸脱。（聯(lián)系方式在 GitHub）

前言

對于習(xí)慣使用面向?qū)ο箝_發(fā)的工程師們來說部蛇，重載 & 重寫 這兩個概念應(yīng)該不會陌生了。在中 / 低級別面試中巷查，也常常會考察面試者對它們的理解（隱約記得當(dāng)年在校招面試時遇到過）岛请；
網(wǎng)上大多數(shù)資料 & 面經(jīng)對這兩個概念的闡述幢踏，多數(shù)僅停留在討論兩者在 表現(xiàn)上 的差異，讓讀者去被動地接受知識僚匆。在這篇文章里咧擂，我將更有深度地理解重載 & 重寫的原理，應(yīng)深入理解Java 虛擬機執(zhí)行引擎是如何進行方法調(diào)用的云芦。請點贊贸桶，你的點贊和關(guān)注真的對我非常重要皇筛！

首先，嘗試寫出以下程序的輸出：

public class Base {
    public static void funcStatic(String str){
        System.out.println("Base - funcStatic - String");
    }
    public static void funcStatic(Object obj){
        System.out.println("Base - funcStatic - Object");
    }
    public void func(String str){
        System.out.println("Base - func - String");
    }
    public void func(Object obj){
        System.out.println("Base - func - Object");
    }
}
public class Child extends Base {
    public static void funcStatic(String str){
        System.out.println("Child - funcStatic - String");
    }
    public static void funcStatic(Object obj){
        System.out.println("Child - funcStatic - Object");
    }
    @Override
    public void func(String str){
        System.out.println("Child - func - String");
    }
    @Override
    public void func(Object obj){
        System.out.println("Child - func - Object");
    }
}

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        Object obj = new Object();
        Object str = new String();

        Base base = new Base();
        Base child1 = new Child();
        Child child2 = new Child();

        base.funcStatic(obj); // 正常編程中不應(yīng)該用實例去調(diào)用靜態(tài)方法
        child1.funcStatic(obj);
        child2.funcStatic(obj);

        base.func(str);
        child1.func(str);
        child2.func(str);
    }
}

程序輸出：

Base - funcStatic - Object
Base - funcStatic - Object
Child - funcStatic - Object

Base - func - Object
Child - func - Object
Child - func - Object

程序輸出是否與你的預(yù)期一致呢？遇到困難了嗎拄踪，相信這篇文章一定能幫到你...

延伸文章

對于Java編譯過程不了解惶桐，請閱讀：《Java | 聊一聊編譯過程（編譯前端 & 編譯后端）》
對于Class 文件 & 符號引用不了解，請閱讀：《Java | 請概述一下 Class 文件的結(jié)構(gòu)》
對于類加載的流程不太了解想虎，請閱讀：《Java | 談?wù)勀銓︻惣虞d過程的理解》

1. 靜態(tài)類型 & 實際類型

每一個變量都有兩種類型：靜態(tài)類型（Static Type） & 實際類型（Actual Type）。例如下面代碼中忿薇，Base為變量base的靜態(tài)類型躏哩，Child為實際類型：

Base base = new Child();

兩者的具體區(qū)別如下：

靜態(tài)類型：引用變量的類型扫尺，在編譯期確定，無法改變
實際類型：實例對象的類型弊攘，在編譯期無法確定，需在運行期確定迈倍，可以改變

這里先談到這里啼染，后文會從字節(jié)碼的角度理解繼續(xù)討論兩個類型焕梅。

2. 方法調(diào)用的本質(zhì)

這一節(jié)，我們來討論Java中方法調(diào)用的本質(zhì)斜棚。我們知道打肝，Java前端編譯的產(chǎn)物是字節(jié)碼挪捕，與C/C++不同级零，前端編譯過程中并沒有鏈接步驟，字節(jié)碼中所有的方法調(diào)用都是使用符號引用鉴嗤。舉個例子：

- 源碼：

public class Child extends Base {

    @Override
    void func() {
    }

    void test1(){
        func();
    }

    void test2(){
        super.func();
    }
}

- 字節(jié)碼（javap -c Child.class）：

Compiled from "Child.java"
public class com.Child extends com.Base {
  // 構(gòu)造函數(shù)序调，默認調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)
  public com.Child();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1 // Method com/Base."<init>":()V
       4: return

  void func();
    Code:
       0: return

  void test1();
    Code:
       0: aload_0
       // invokevirtual 調(diào)用實例方法
       1: invokevirtual #2 // Method func:()V
       4: return

  void test2();
    Code:
       0: aload_0
       // invokespecial 調(diào)用靜態(tài)方法
       1: invokespecial #3 // Method com/Base.func:()V
       4: return
}

上面的字節(jié)碼中发绢，invokespecial和invokevirtual都是方法調(diào)用的字節(jié)碼指令边酒，具體細節(jié)下文會詳細解釋。后面的#1 #2 #3表示符號引用在常量池中的索引號坯认，根據(jù)這個索引號檢索常量表，可以查到最終表示的是一個字符串字面量陋气，例如func:()V荆隘，這個就是方法的符號引用椰拒。

為了方便理解字節(jié)碼，javap反編譯的字節(jié)碼已經(jīng)在注釋中提示了最終表示的值褒脯，例如Method func:()V缆毁。

符號引用（Symbolic References）是一個用來無歧義地標(biāo)識一個實體（例如方法/字段）的字符串脊框，在運行期它會翻譯為直接引用（Direct Reference）。對于方法來說沉御，就是方法的入口地址吠裆。

下圖描述了方法符號引用的基本格式：

方法的符號引用

這個符號引用包含了變量的靜態(tài)類型（如果是變量的靜態(tài)類型與本類相同试疙，不需要指明）抠蚣、簡單方法名以及描述符（參數(shù)順序、參數(shù)類型和方法返回值）缓屠。通過這個符號引用，Java虛擬機就可以翻譯出該方法的直接引用储耐。但是，同一個符號引用晦攒，運行時翻譯出來的直接引用可能是不同的得哆，為什么會這樣呢贩据？

小結(jié)：
1. 方法調(diào)用的本質(zhì)是根據(jù)方法的符號引用確定方法的直接引用（入口地址）

3. 從符號引用到直接引用

為什么同一個符號引用，運行時翻譯出來的直接引用可能是不同的矾芙？這與使用的方法調(diào)用指令的處理過程有關(guān)近上，Java字節(jié)碼的方法調(diào)用指令一共有以下 5 種：

五種方法調(diào)用指令

其中壹无，根據(jù)調(diào)用方法的版本是否在編譯期可以確定斗锭，（注意：只是版本，而不是入口地址骚秦，入口地址只能在運行時確定）可以將方法調(diào)用劃分為靜態(tài)解析 & 動態(tài)分派兩種璧微。

# 誤區(qū)（重要）#

《深入理解Java虛擬機》中將方法調(diào)用分為解析前硫、靜態(tài)分派、動態(tài)分派三種阶剑，又根據(jù)宗量的數(shù)量引入了靜態(tài)多分派牧愁，動態(tài)單分派的概念外莲。這些概念事實上過于字典化，也很容易讓讀者誤認為靜態(tài)分派與動態(tài)分派是非此即彼的互斥關(guān)系磨确。事實上乏奥，一個方法可以同時重寫與重載，重載 & 重寫是方法調(diào)用的兩個階段恨诱，而不是兩個種類胡野。

下面痕鳍，我將介紹Java中方法選擇的三個步驟：

3.1 步驟1：生成符號引用（編譯時）

上一節(jié)我們提到過方法符號引用的基本格式笼呆，分為三個部分：

變量的靜態(tài)類型：
類的全限定名中將.替換為/诗赌，例如java.lang.Object對應(yīng)java/lang/Object
簡單名稱：
方法的名稱，例如Object#toString()的簡單名稱為：toString
描述符：
方法的參數(shù)列表和返回值洪碳，例如Object#toString()的描述符為()LJava/lang/String;

描述符的規(guī)則不是本文重點瞳腌，這里便不再贅述了镜雨，若不了解可閱讀延伸文章苇羡。這里我們用兩段程序驗證上述規(guī)則遏乔，這兩段程序中我們考慮了重載 & 重寫妇穴、靜態(tài) & 實例兩個維度的因素：

程序一（重載 & 重寫）

public class Base {
    public void func() {}
    public void func(int i){}
}

public class Child extends Base {
    @Override
    public void func() {}
    @Override
    public void func(int i){}
}

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        Base base1 = new Base();
        Base child1 = new Child();
        Child child2 = new Child();

        base1.func();  // invokevirtual com.Base.func:():V
        child1.func(); // invokevirtual com.Base.func:():V
        child2.func(); // invokevirtual com.Child.func:():V

        base1.func(1);  // invokevirtual com.Base.func:(I):V
        child1.func(1); // invokevirtual com.Base.func:(I):V
        child2.func(1); // invokevirtual com.Child.func:(I):V
    }
}

可以看到疗我，符號引用中的類名確實是變量的靜態(tài)類型，而不是變量的實際類型溺健；方法名不用多說鞭缭，方法描述符則選擇重載方法中最合適的一個方法岭辣。這個例程很容易判斷重載方法選擇結(jié)果，具體選擇規(guī)則其實更為復(fù)雜偷遗。

程序二（靜態(tài) & 實例）

public class Base {
    public static void func() {}
    public void func(int i){}
}

public class Child extends Base {
    public static void func() {}
    @Override
    public void func(int i){}
}

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        Base base1 = new Base();
        Base child1 = new Child();
        Child child2 = new Child();

        符號引用與程序一相同，僅指令不同

        base1.func();  // invokestatic com.Base.func:():V
        child1.func(); // invokestatic com.Base.func:():V
        child2.func(); // invokestatic com.Child.func:():V

        base1.func(1);  // invokevirtual com.Base.func:(I):V
        child1.func(1); // invokevirtual com.Base.func:(I):V
        child2.func(1); // invokevirtual com.Child.func:(I):V
    }
}

可以看到，static對符號引用沒有影響纪铺，僅影響使用的指令（靜態(tài)方法調(diào)用使用invokestatic）。而通過對象實例去調(diào)用靜態(tài)方法是javac的語法糖烹棉，編譯時會轉(zhuǎn)換為使用變量的靜態(tài)類型固化到符號引用中。

小結(jié)：
1. 方法的符號引用在編譯期確定抠刺，并固化到字節(jié)碼中方法調(diào)用指令的參數(shù)中
2. 是否有static修飾對符號引用沒有影響速妖，僅影響使用的字節(jié)碼指令罕容，對象實例去調(diào)用靜態(tài)方法是javac的語法糖

3.2 步驟二：解析（類加載時）

為什么靜態(tài)方法锦秒、私有實例方法喉镰、實例構(gòu)造器<init>侣姆、父類方法以及final修飾這五種方法（對應(yīng)的關(guān)鍵字： static、private汇歹、<init>产弹、super弯囊、final）可以在編譯期確定版本呢匾嘱？因為無論運行時加載多少個類，這些方法都保證唯一的版本：

方法	原因
`static`	相同簽名的子類方法會隱藏父類方法
`private`	只在本類可見
`<init>`	由編譯器生成撬讽，源碼無法編寫
`super`	`Java`是單繼承游昼，只有一個父類
`final`	禁止被重寫

既然可以確定方法的版本烘豌，虛擬機在處理invokestatic看彼、invokespecial、invokevirtual(final)時顽铸，就可以提前將符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用鸯绿，不必延遲到方法調(diào)用時確定瓶蝴，具體來說舷手，是在類加載的解析階段完成轉(zhuǎn)換的劲绪。

invokestatic 指令

1）類加載解析階段：根據(jù)符號引用中類名（如下例中java/lang/String變量的靜態(tài)類型中）贾富，在對應(yīng)的類中找到簡單名稱與描述符相符合的方法，如果找到則將符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用汗捡；否則扇住，按照繼承關(guān)系從下往上依次在各個父類中搜索
2）調(diào)用階段：符號引用已經(jīng)轉(zhuǎn)換為直接引用艘蹋；調(diào)用invokestatic不需要將對象加載到操作數(shù)棧票灰，只需要將所需要的參數(shù)入棧就可以執(zhí)行invokestatic指令屑迂。例如：

源碼：
String str = String.valueOf（"1"）

字節(jié)碼：
0: iconst_1
1: invokestatic  #2 // Method java/lang/String.valueOf:(I)Ljava/lang/String;
4: astore_1

invokespecial 指令

1）類加載解析階段：同invokestatic屈糊，也是從符號引用中的靜態(tài)類型開始查找
2）調(diào)用階段：同invokestatic逻锐，符號引用已經(jīng)轉(zhuǎn)換為直接引用雕薪；<init>所袁、父類方法凶掰、私有實例方法這3種情況都是屬于實例方法懦窘，所以調(diào)用invokespecial指令需要將對象加載到操作數(shù)棧畅涂。例如：

1、源碼（實例構(gòu)造器）：
String str = new String();

字節(jié)碼：
0: new           #2 // class java/lang/String
3: dup
4: invokespecial #3 // Method java/lang/String."<init>":()V
7: astore_1
--------------------------------------------------------------------
2立宜、源碼（父類方法）：
super.func();

字節(jié)碼：
0: aload_0
1: invokespecial #2 // Method com/Base.func:()V
--------------------------------------------------------------------
3橙数、源碼（私有方法）：
funcPrivate();

字節(jié)碼：
0: aload_0
1: invokespecial #2 // Method funPrivate:()V

3.3 步驟三：動態(tài)分派（類使用時）

動態(tài)分派分為invokevitrual灯帮、invokeinterface 與 invokedynamic施流，其中動態(tài)調(diào)用invokedynamic是 JDK 1.7 新增的指令鄙信，我們單獨在另一篇中解析装诡。有些同學(xué)可能會覺得方法不重寫不就只有一個版本了嗎？這個想法忽略了Java動態(tài)鏈接的特性宾巍，Java可以從任何途徑加載一個class顶霞，除非解析的 5 種的情況外选浑，無法保證方法不被重寫。

invokevirtual指令

虛擬機為每個類生成虛方法表vtable（virtual method table）的結(jié)構(gòu)拓提，類中聲明的方法的入口地址會按固定順序存放在虛方法表中代态；虛方法表還會繼承父類的虛方法表，順序與父類保持一致疹吃，子類新增的方法按順序添加到虛方法末尾（這以Java單繼承為前提）蹦疑；若子類重寫父類方法，則重寫方法位置的入口地址修改為子類實現(xiàn)萨驶；

1）類加載解析階段：解析類的繼承關(guān)系必尼，生成類的虛方法表（包含了這個類型所有方法的入口地址）。舉個例子篡撵，有Class B繼承與Class A，并重寫了A中的方法：

Object是所有類的父類豆挽，所有每個類的虛方法表頭部都會包含Object的虛方法表。另外帮哈，B重寫了A#printMe()膛檀，所以對應(yīng)位置的入口地址方法被修改為B重寫方法的入口地址。

需要注意的是娘侍，被final咖刃、static或private修飾的方法不會出現(xiàn)在虛方法表中，因為這些方法無法被繼承重寫憾筏。

2）調(diào)用階段（動態(tài)分派）：解析階段生成虛方法表后嚎杨，每個方法在虛方法表中的索引是固定的，這是不會隨著實際類型變化影響的氧腰。調(diào)用方法時枫浙，首先根據(jù)變量的實際類型獲得對應(yīng)的虛方法表（包含了這個類型所有方法的入口地址），然后根據(jù)索引找到方法的入口地址古拴。

invokeinterface指令

接口方法的選擇行為與類方法的選擇行為略有區(qū)別箩帚，主要原因是Java接口是支持多繼承的，就沒辦法像虛方法表那樣直接繼承父類的虛方法表黄痪。虛擬機提供了itable（interface method table）來支持多接口紧帕，itable由偏移量表offset table與方法表method table兩部分組成。

當(dāng)需要調(diào)用某個接口方法時桅打，虛擬機會在offset table查找對應(yīng)的method table是嗜，隨后在該method table上查找方法愈案。

3.4 性能對比

invokestatic & invokespecial可以直接調(diào)用方法入口地址，最快
invokevirtual通過編號在vtable中查找方法叠纷，次之
invokeinterface現(xiàn)在offset table中查找method table的偏移位置刻帚，隨后在method table中查找接口方法的實現(xiàn)

4. 總結(jié)

方法調(diào)用的本質(zhì)是從符號引用轉(zhuǎn)換到直接引用（方法入口地址）的過程，一共需要經(jīng)過（編譯時）生成符號引用涩嚣、（類加載時）解析崇众、（調(diào)用時）動態(tài)分派三個步驟
invokestatic & invokespecial指令在（類加載時）解析時根據(jù)靜態(tài)類型完成轉(zhuǎn)換
invokevirtual & invokeinterface在（調(diào)用時）根據(jù)實際類型，查找vtable & itable完成轉(zhuǎn)換
重載其實是編譯器的語法特性與多態(tài)無關(guān)航厚，對編譯時符號引用生成有影響顷歌，在運行時已經(jīng)沒有影響了；重寫是多態(tài)的基礎(chǔ)幔睬，虛擬機通過vtable & itable來支持虛方法的方法選擇眯漩。

參考資料

《深入理解Java虛擬機（第3版本）》（第8章）—— 周志明著
《深入理解Android：Java虛擬機 ART》（第2章） —— 鄧凡平著
《深入理解 JVM 字節(jié)碼》（第2、3章）—— 張亞著

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