Java和JVM的重載識別,重寫方法是怎樣進行的

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可變長參數方法的重載造成的。

1.案例

void invoke(Object obj, Object... args) { ... }
void invoke(String s, Object obj, Object... args) { ... }

invoke(null, 1);    // 調用第二個invoke方法
invoke(null, 1, 2); // 調用第二個invoke方法
invoke(null, new Object[]{1}); // 隻有手動繞開可變長參數的語法糖，
                               // 才能調用第一個invoke方法

某API定義瞭兩個同名重載方法：

  • 第一個接收一個Object，以及聲明為Object…的變長參數
  • 第二個則接收一個String、一個Object，以及聲明為Object…的變長參數

想調用第一個方法，傳參(null, 1)，即聲明為Object的形式參數所對應的實際參數為null，而變長參數則對應1。
之所以不提倡可變長參數方法重載，是因為Java編譯器可能無法決定應該調用哪個目標方法。
這種情況下，編譯器會報錯，並且提示這方法調用有二義性。然而，Java編譯器直接將我的方法調用識別為調用第二個方法，這究竟是為什麼呢？

Java虛擬機是怎麼識別目標方法的？

2.重載與重寫

同一類中出現多個：

  • 名字相同
  • 參數類型相同

這限制可通過字節碼工具繞開，編譯完成後，可再向class文件中添加方法名和參數類型相同，而返回類型不同的方法。當這種包括多個方法名相同、參數類型相同，而返回類型不同的方法的類，出現在Java編譯器的用戶類路徑上時，它是怎麼確定需要調用哪個方法的呢？
當前版本的Java編譯器會直接選取第一個方法名以及參數類型匹配的方法。並且，它會根據所選取方法的返回類型來決定可不可以通過編譯，以及需不需要進行值轉換等。
重載的方法在編譯過程中即可完成識別。具體到每一個方法調用，Java編譯器會根據所傳入參數的聲明類型（註意與實際類型區分）來選取重載方法。選取的過程共分為三個階段：

  • 在不考慮對基本類型自動裝拆箱及可變長參數情況下選取重載方法
  • 如在第1個階段沒找到適配方法，那在允許自動裝拆箱，但不允許可變長參數情況下選取重載方法
  • 如在第2個階段中沒找到適配方法，那在允許自動裝拆箱及可變長參數情況下選取重載方法

如Java編譯器在同一階段中找到多個適配方法，那它會在其中選擇一個最為貼切，貼切程度關鍵就是形式參數類型的繼承關系。

傳入null時，它既可匹配第一個方法中聲明為Object的形式參數，也可匹配第二個方法中聲明為String的形式參數。由於String是Object的子類，因此Java編譯器會認為第二個方法更貼切。
除同一個類中的方法，重載也可作用於這個類所繼承而來的方法。如子類定義瞭與父類中非私有方法同名的方法，且這兩個方法的參數類型不同，那在子類中，這兩個方法同樣構成重載。

若子類定義與父類中非private方法的同名方法，且這兩方法參數類型相同，那這倆方法間啥關系：

  • 若這倆都是static方法，那子類中的方法隱藏瞭父類中的方法
  • 若都不是 static 的，則子類的方法重寫瞭父類中的方法

Java的方法重寫是多態的體現：允許子類在繼承父類部分功能同時，擁有自己獨特行為。
重寫調用會根據調用者的動態類型選取實際的目標方法。

3.JVM的靜態綁定和動態綁定

Java虛擬機識別方法的關鍵在於類名、方法名及方法描述符（method descriptor）。
方法描述符由方法的參數類型及返回類型構成。
同一類中，如同時出現多個名字相同且描述符相同的方法，那Java虛擬機會在類的驗證階段報錯。
Java虛擬機與Java語言不同，它不限制名字與參數類型相同，但返回類型不同的方法出現在同一類，對調用這些方法的字節碼，由於字節碼所附帶的方法描述符包含瞭返回類型，因此Java虛擬機能夠準確識別目標方法。

JVM方法重寫判定同樣基於方法描述符。
如子類定義瞭與父類中非私有、非靜態方法同名的方法，則僅當這倆方法的參數類型及返回類型一致，JVM才會判定為重寫。

對Java中重寫而Java虛擬機中非重寫的情況，編譯器會通過生成橋接方法[2]實現Java的重寫語義。

由於對重載方法的區分在編譯階段已完成，可認為JVM不存在重載概念。因此，某些文章將

  • 重載稱為靜態綁定（static binding）或編譯時多態（compile-time polymorphism）
  • 重寫稱為動態綁定（dynamic binding）

這說法在JVM語境下並非完全正確，因為某類中的重載方法可能被它的子類重寫，因此JVM 會將所有對非私有實例方法的調用編譯為需要動態綁定的類型。

JVM的：

  • 靜態綁定指在解析時便能夠直接識別目標方法
  • 動態綁定指要在運行過程中，根據調用者的動態類型來識別目標方法

Java字節碼中與調用相關的指令有：

  • invokestatic：調用靜態方法
  • invokespecial：調用私有實例方法、構造器及使用super關鍵字調用父類的實例方法或構造器，和所實現接口的默認方法
  • invokevirtual：用於調用非私有實例方法
  • invokeinterface：用於調用接口方法
  • invokedynamic：用於調用動態方法較為復雜

編譯生成這四種調用指令的情況。

interface 客戶 {
  boolean isVIP();
}

class 商戶 {
  public double 折後價格(double 原價, 客戶 某客戶) {
    return 原價 * 0.8d;
  }
}

class 奸商 extends 商戶 {
  @Override
  public double 折後價格(double 原價, 客戶 某客戶) {
    if (某客戶.isVIP()) {                         // invokeinterface      
      return 原價 * 價格歧視();                    // invokestatic
    } else {
      return super.折後價格(原價, 某客戶);          // invokespecial
    }
  }
  public static double 價格歧視() {
    // 咱們的殺熟算法太粗暴瞭，應該將客戶城市作為隨機數生成器的種子。
    return new Random()                          // invokespecial
           .nextDouble()                         // invokevirtual
           + 0.8d;
  }
}

“商戶”類定義瞭一個成員方法，叫“折後價格”，它接收一個double類型參數及一個“客戶”類型參數。
這裡“客戶”是個接口，定義瞭一個接口方法“isVIP”。

“奸商”類這個方法，首先調用客戶#isVIP，該調用會被編譯為invokeinterface指令

  • 若客戶是VIP，則調用奸商類的一個名叫“價格歧視”的靜態方法。該調用會被編譯為invokestatic指令
  • 如客戶不是VIP，則通過super調用父類的“折後價格”方法。該調用會被編譯為invokespecial指令

在靜態方法“價格歧視”會調用Random類的構造器。該調用會被編譯為invokespecial指令。然後以這個新建Random對象為調用者，調用Random類中的nextDouble方法。該調用會被編譯為invokevirutal指令。

對於invokestatic以及invokespecial而言，Java虛擬機能夠直接識別具體的目標方法。

而對於invokevirtual以及invokeinterface而言，在絕大部分情況下，虛擬機需要在執行過程中，根據調用者的動態類型，來確定具體的目標方法。

如虛擬機能確定目標方法有且僅有一個，比如說目標方法被標記為final[3][4]，它可不通過動態類型，直接確定目標方法。

4.調用指令的符號引用

編譯過程中，我們並不知目標方法的具體內存地址。因此，Java編譯器會暫時用符號引表示該目標方法。
這符號引用包括目標方法所在的類或接口的名字，以及目標方法的方法名和方法描述符。

符號引用存儲在class文件的常量池。根據目標方法是否為接口方法，這些引用可分為：

  • 接口符號引用
  • 非接口符號引用
// 在奸商.class的常量池中，#16為接口符號引用，指向接口方法"客戶.isVIP()"。#22為非接口符號引用，指向靜態方法"奸商.價格歧視()"。
$ javap -v 奸商.class ...
Constant pool:
...
  #16 = InterfaceMethodref #27.#29        // 客戶.isVIP:()Z
...
  #22 = Methodref          #1.#33         // 奸商.價格歧視:()D
...

執行使用瞭符號引用的字節碼前，JVM需解析這些【符號引用】並替換為【實際引用】。

對【非接口符號引用】，假定該【符號引用】所指向的類為C，則JVM按如下步驟查找：

  • 在C中查找符合名字及描述符的方法
  • 若沒找到，搜索C的父類，直至Object類
  • 若還沒找到，在C所直接實現或間接實現的接口中搜索，該步搜索得到的目標方法必須是非private、非static且若目標方法在間接實現的接口中，則需滿足C與該接口間無其他符合條件的目標方法。若有多個符合條件的目標方法，則返回其中任一。

所以static方法也可通過子類來調用。子類的static方法會隱藏（這不是重寫）父類中的同名、同描述符的靜態方法。

對於接口符號引用，假定該符號引用所指向的接口為I，則Java虛擬機會按照如下步驟進行查找。

  • 在I中查找符合名字及描述符的方法。
  • 如果沒有找到，在Object類中的公有實例方法中搜索。
  • 如果沒有找到，則在I的超接口中搜索。這一步的搜索結果的要求與非接口符號引用步驟3的要求一致。

經過上述解析步驟後，符號引用會被解析成實際引用：

  • 對可靜態綁定的方法調用，實際引用是個指向方法的指針
  • 對需動態綁定的方法調用，實際引用則是個方法表的索引

5.總結與實踐

文介紹瞭Java以及Java虛擬機是如何識別目標方法的。

在Java方法的：

  • 重載，方法名相同而參數類型不相同的方法間
  • 重寫，方法名相同&參數類型也相同的方法間

JVM識別方法的方式除瞭方法名和參數類型，還有返回類型。

JVM的：

  • 靜態綁定：在解析時便能夠直接識別目標方法的情況
  • 動態綁定，需在運行過程中根據調用者的動態類型來識別目標方法的情況。由於Java編譯器已區分重載方法，因此可認為JVM不存在重載

在class文件中，Java編譯器會用符號引用指代目標方法。在執行調用指令前，它所附帶的符號引用需要被解析成實際引用。對於可以靜態綁定的方法調用而言，實際引用為目標方法的指針。對於需要動態綁定的方法調用而言，實際引用為輔助動態綁定的信息。

Java的重寫與Java虛擬機中的重寫並不一致，但編譯器會通過生成橋接方法來彌補。

到此這篇關於Java和JVM的重載識別,重寫方法是怎樣進行的的文章就介紹到這瞭,更多相關Java和JVM重載識別、重寫方法 內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

參考：

[1] https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/language/varargs.html
[2] https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/generics/bridgeMethods.html
[3] https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/VirtualCalls
[4] https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/InterfaceCalls

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