Java 多态：动态绑定 及 内部实现机制

Java多态机制的实现依赖于其动态绑定。

（本文默认读者已经了解Java程序的编译和运行时问题。）

1、程序绑定的概念

　　绑定指的是一个方法的调用与方法所在的类(方法主体)关联起来。

　　对Java来说，绑定分为静态绑定和动态绑定；或者叫做前期绑定和后期绑定。

2、静态绑定与动态绑定

(1)静态绑定：

　　在程序执行前方法已经被绑定到具体的类，由编译器或其它连接程序实现。例如：C语言。

　　Java中的 static方法 和 final方法（private属于final方法，详细的解释见《Java编程思想》）及 构造方法 属于前期绑定，子类无法重写final方法，成员变量（包括静态及非静态）也属于前期绑定。

(2)动态绑定：

　　后期绑定：在运行时根据具体对象的类型进行绑定。

　　若一种语言实现了后期绑定，同时必须提供一些机制，可在运行期间判断对象的类型，并分别调用适当的方法。

也就是说，编译器此时依然不知道对象的类型，但方法调用机制能自己去调查，找到正确的方法主体。

不同的语言对后期绑定的实现方法是有所区别的。但我们至少可以这样认为：它们都要在对象中安插某些特殊类型的信息。

　　java 除了static方法和final方法（private属于final方法）之外的其他方法属于后期绑定，运行时能判断对象的类型进行绑定。编译器只能确保被调用的方法确实存在，并对调用参数及返回值做类型检查，但并不知道将被执行的确切代码。

　　java中动态绑定是默认行为，是由JVM来实现的，与C++不同（需要virtual关键字）。

三、Java动态绑定的内部实现机制（转载）

动态绑定的过程：

　　（1）虚拟机提取对象的实际类型的方法表；

　　（2）虚拟机搜索方法签名；

　　（3）调用方法。

　　

　　JAVA虚拟机调用一个类方法时，它会基于对象引用的类型(通常在编译时可知)来选择所调用的方法。相反，当虚拟机调用一个实例方法时，它会基于对象实际的类型(只能在运行时得知)来选择所调用的方法，这就是动态绑定，是多态的一种。动态绑定为解决实际的业务问题提供了很大的灵活性，是一种非常优美的机制。

1 JAVA对象模型

　　JAVA虚拟机规范并没有规定JAVA对象在堆里是如何表示的。对象的内部表示也影响着整个堆以及垃圾收集器的设计，它由虚拟机的实现者决定。

　　 JAVA对象中包含的基本数据由它所属的类及其所有超类声明的实例变量组成。只要有一个对象引用，虚拟机就必须能够快速地定位对象实例的数据。另外，它也必须能通过该对象引用访问相应的类数据(存储于方法区的类型信息)，因此在对象中通常会有一个指向方法区的指针。当程序在运行时需要转换某个对象引用为另外一种类型时，虚拟机必须要检查这种转换是否被允许，被转换的对象是否的确是被引用的对象或者它的超类型。当程序在执行instanceof操作时，虚拟机也进行了同样的检查。所以虚拟机都需要查看被引用的对象的类数据。

　　不管虚拟机的实现使用什么样的对象表示法，很可能每个对象都有一个方法表因为方法表加快了调用实例方法时的效率。但是JAVA虚拟机规范并未要求必须使用方法表，所以并不是所有实现中都会使用它。

下面是一种JAVA对象的内存表示：



　　方法数据存放在类的方法区中，包含一个方法的具体实现的字节码二进制。方法指针直接指向这个方法在内存中的起始位置，通过方法指针就可以找到这个方法。

2 动态绑定内部机制

　　方法表是一个指向方法区中的方法指针的数组。方法表中不包含static、private等静态绑定的方法，仅仅包含那些需要动态绑定的实例方法。

　　在方法表中，来自超类的方法出现在来自子类的方法之前，并且排列方法指针的顺序和方法在class文件中出现的顺序相同，这种排列顺序的例外情况是，被子类的方法覆盖的方法出现在超类中该方法第一次出现的地方。

例如有超类Base和子类Derive：

public class Base
{
public Base()
{
}

public void test()
{
System.out.println( "int Base" );
}

public void print()
{
}
}

public class Derive extends Base
{
public Derive()
{
}

public void test()
{
System.out.println( "int Derive" );
}

public void sayHello()
{
}

public static void main( String[] args )
{
Base base = new Derive();
base.test();
}
}

上例中的Base和Derive的方法表如下：



　　在这个例子里，test()方法在Base和Derive的方法表中都是同一个位置-位置1。在Base方法表中，test()指针是Base的test()方法内存地址；而在Derive方法表中，方法表的位置1放置的是Derive的test()方法内存地址。

　　当JAVA虚拟机执行base.test()时，通过base引用可以找到base所指向的实际对象的内存位置，现在虚拟机不知道base引用的实际对象是Base还是Derive。但是根据上面的对象内存模型，虚拟机从对象内存中的第一个指针“特殊结构指针”开始，可以找到实际对象的类型数据和Class实例，这样虚拟机就可以知道base引用的实际对象是Derive对。为了执行test()，虚拟机需要找到test()的字节码，方法的字节码存放在方法区中。虚拟机从对象内存中的第一个指针“特殊结构指针”开始，搜寻方法表的位置1，位置1指向的test()方法是Derive类的test()方法，这就是JAVA虚拟机将要执行的test()的字节码。现在，虚拟机知道了调用的实际对象是Derive对象，调用的实际test()方法是Derive类的test()方法，所以JAVA虚拟机能够正确执行-调用base引用的实际对象的方法而不是base引用本身的方法。

　　这是动态绑定的一种实现方式，根据不同的JAVA虚拟机平台和不同的实际约束，动态绑定可以有不同的内部实现机制。