Java 高级：动态绑定实现机制

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 对象的内存模型表示：

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 对象。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。

专栏作者简介

陶邦仁：专注于后端技术研究，前端技术略有涉猎，热衷于构建高性能、高可用网站，对平台服务化、分布式服务、分布式存储等方面的解决方案。目前就职于千丁互联，任技术经理一职，负责社区产品技术研发。曾就职于京东，负责库存组缓存方案技术实现；曾就职于百度糯米，负责 PC 首页、APP 个性化排单服务化解决方案。