Java学习记录--动态绑定静态绑定的内幕
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本文转载自:爪哇人
作者名: Heart.Raid
在Java方法调用的过程中，JVM是如何知道调用的是哪个类的方法源代码？ 这里面到底有什么内幕呢？ 这篇文章我们就将揭露JVM方法调用的静态(static binding) 和动态绑定机制(auto binding) 。
1.Java的编译与运行
学习之前先简要了解下Java程序的运行.
1.编译过程是将java源文件编译成字节码（jvm可执行代码，即.class文件）的过程，在这个过程中java是不与内存打交道的，在这个过程中编译器会进行语法的分析，如果语法不正确就会报错。
2.运行过程是指jvm（java虚拟机）装载字节码文件并解释执行。在这个过程才是真正的创立内存布局，执行java程序。
java字节码的执行有两种方式：
（1）即时编译方式：解释器先将字节编译成机器码，然后再执行该机器码；
（2）解释执行方式：解释器通过每次解释并执行一小段代码来完成java字节码程序的所有操作。（这里我们可以看出java程序在执行过程中其实是进行了两次转换，先转成字节码再转换成机器码。这也正是java能一次编译，到处运行的原因。在不同的平台上装上对应的java虚拟机，就可以实现相同的字节码转换成不同平台上的机器码，从而在不同的平台上运行）
2.静态绑定机制
Java代码:
//被调用的类
package hr.test;
class Father{
public static void f1(){
System.out.println("Father— f1()");
}
}
//调用静态方法
import hr.test.Father;
public class StaticCall{
public static void main(){
Father.f1(); //调用静态方法
}
}
上面的源代码中执行方法调用的语句(Father.f1())被编译器编译成了一条指令：invokestatic #13。我们看看JVM是如何处理这条指令的
(1) 指令中的#13指的是StaticCall类的常量池中第13个常量表的索引项(关于常量池详见《Class文件内容及常量池 》)。这个常量表(CONSTATN_Methodref_info ) 记录的是方法f1信息的符号引用(包括f1所在的类名，方法名和返回类型)。JVM会首先根据这个符号引用找到方法f1所在的类的全限定名: hr.test.Father。
(2) 紧接着JVM会加载、链接和初始化Father类。
(3) 然后在Father类所在的方法区中找到f1()方法的直接地址，并将这个直接地址记录到StaticCall类的常量池索引为13的常量表中。这个过程叫常量池解析，以后再次调用Father.f1()时，将直接找到f1方法的字节码。
(4) 完成了StaticCall类常量池索引项13的常量表的解析之后，JVM就可以调用f1()方法，并开始解释执行f1()方法中的指令了。
通过上面的过程，我们发现经过常量池解析之后，JVM就能够确定要调用的f1()方法具体在内存的什么位置上了。实际上，这个信息在编译阶段就已经在StaticCall类的常量池中记录了下来。这种在编译阶段就能够确定调用哪个方法的方式，我们叫做 静态绑定机制 。
除了被static 修饰的静态方法，所有被private 修饰的私有方法、被final 修饰的禁止子类覆盖的方法都会被编译成invokestatic指令。另外所有类的初始化方法<init>和<clinit>会被编译成invokespecial指令。JVM会采用静态绑定机制来顺利的调用这些方法。
3.动态绑定机制
Java源码:
package hr.test;
//被调用的父类
class Father{
public void f1(){
System.out.println("father-f1()");
}
public void f1(int i){
System.out.println("father-f1() para-int "+i);
}
}
//被调用的子类
class Son extends Father{
public void f1(){ //覆盖父类的方法
System.out.println("Son-f1()");
}
public void f1(char c){
System.out.println("Son-s1() para-char "+c);
}
}
//调用方法
import hr.test.*;
public class AutoCall{
public static void main(String[] args){
Father father=new Son(); //多态
father.f1(); //打印结果： Son-f1()
}
}
上面的源代码中有三个重要的概念：多态(polymorphism) 、方法覆盖 、方法重载 。打印的结果大家也都比较清楚，但是JVM是如何知道f.f1()调用的是子类Sun中方法而不是Father中的方法呢？在解释这个问题之前，我们首先简单的讲下JVM管理的一个非常重要的数据结构——方法表 。
上图中的方法表有两个特点：
(1) 子类方法表中继承了父类的方法，比如Father extends Object。
(2) 相同的方法(相同的方法签名：方法名和参数列表)在所有类的方法表中的索引相同。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项中。
对于上面的源代码，编译器首先会把main方法编译成下面的字节码指令：
0 new hr.test.Son [13] //在堆中开辟一个Son对象的内存空间，并将对象引用压入操作数栈
3 dup
4 invokespecial #7 [15] // 调用初始化方法来初始化堆中的Son对象
7 astore_1 //弹出操作数栈的Son对象引用压入局部变量1中
8 aload_1 //取出局部变量1中的对象引用压入操作数栈
9 invokevirtual #15 //调用f1()方法
12 return
其中invokevirtual指令的详细调用过程是这样的：
(1) invokevirtual指令中的#15指的是AutoCall类的常量池中第15个常量表的索引项。这个常量表(CONSTATN_Methodref_info)记录的是方法f1信息的符号引用(包括f1所在的类名，方法名和返回类型)。JVM会首先根据这个符号引用找到调用方法f1的类的全限定名:hr.test.Father。这是因为调用方法f1的类的对象father声明为Father类型。
(2) 在Father类型的方法表中查找方法f1，如果找到，则将方法f1在方法表中的索引项11(如上图)记录到AutoCall类的常量池中第15个常量表中(常量池解析)。这里有一点要注意：如果Father类型方法表中没有方法f1，那么即使Son类型中方法表有，编译的时候也通过不了。因为调用方法f1的类的对象father的声明为Father类型。
(3) 在调用invokevirtual指令前有一个aload_1指令，它会将开始创建在堆中的Son对象的引用压入操作数栈。然后invokevirtual指令会根据这个Son对象的引用首先找到堆中的Son对象，然后进一步找到Son对象所属类型的方法表。过程如下图所示：
(4) 这是通过第(2)步中解析完成的#15常量表中的方法表的索引项11，可以定位到Son类型方法表中的方法f1()，然后通过直接地址找到该方法字节码所在的内存空间。
很明显，根据对象(father)的声明类型(Father)还不能够确定调用方法f1的位置，必须根据father在堆中实际创建的对象类型Son来确定f1方法所在的位置。这种在程序运行过程中，通过动态创建的对象的方法表来定位方法的方式，我们叫做 动态绑定机制 。
上面的过程很清楚的反映出在方法覆盖的多态调用的情况下，JVM是如何定位到准确的方法的。但是下面的调用方法JVM是如何定位的呢？(仍然使用上面代码中的Father和Son类型)
Java源码:
public class AutoCall{
public static void main(String[] args){
Father father=new Son();
char c='a';
father.f1(c); //打印结果：father-f1() para-int 97
}
}
问题是Fahter类型中并没有方法签名为f1(char)的方法呀。但打印结果显示JVM调用了Father类型中的f1(int)方法，并没有调用到Son类型中的f1(char)方法。
根据上面详细阐述的调用过程，首先可以明确的是：JVM首先是根据对象father声明的类型Father来解析常量池的(也就是用Father方法表中的索引项来代替常量池中的符号引用)。如果Father中没有匹配到"合适" 的方法，就无法进行常量池解析，这在编译阶段就通过不了。
那么什么叫"合适"的方法呢？当然，方法签名完全一样的方法自然是合适的。但是如果方法中的参数类型在声明的类型中并不能找到呢？比如上面的代码中调用father.f1(char)，Father类型并没有f1(char)的方法签名。实际上，JVM会找到一种“凑合”的办法，就是通过参数的自动转型 来找 到“合适”的方法。比如char可以通过自动转型成int，那么Father类中就可以匹配到这个方法了 (关于Java的自动转型问题可以参见《【解惑】Java类型间的转型 》)。但是还有一个问题，如果通过自动转型发现可以“凑合”出两个方法的话怎么办？比如下面的代码：
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); //打印结果： double[]
}
}
null可以引用于任何的引用类型，那么JVM如何确定“合适”的方法呢。一个很重要的标准就是：如果一个方法可以接受传递给另一个方法的任何参数，那么第一个方法就相对不合适。比如上面的代码: 任何传递给f1(double[])方法的参数都可以传递给f1(Object)方法，而反之却不行，那么f1(double[])方法就更合适。因此JVM就会调用这个更合适的方法。
4.总结
(1) 所有私有方法、静态方法、构造器及初始化方法<clinit>都是采用静态绑定机制。在编译器阶段就已经指明了调用方法在常量池中的符号引用，JVM运行的时候只需要进行一次常量池解析即可。
(2) 类对象方法的调用必须在运行过程中采用动态绑定机制。
首先，根据对象的声明类型(对象引用的类型)找到“合适”的方法。具体步骤如下：
① 如果能在声明类型中匹配到方法签名完全一样(参数类型一致)的方法，那么这个方法是最合适的。
② 在第①条不能满足的情况下，寻找可以“凑合”的方法。标准就是通过将参数类型进行自动转型之后再进行匹配。如果匹配到多个自动转型后的方法签名f(A)和f(B)，则用下面的标准来确定合适的方法：传递给f(A)方法的参数都可以传递给f(B)，则f(A)最合适。反之f(B)最合适 。
③ 如果仍然在声明类型中找不到“合适”的方法，则编译阶段就无法通过。然后，根据在堆中创建对象的实际类型找到对应的方法表，从中确定具体的方法在内存中的位置。
5.补充
5.1覆写（override）
一个实例方法可以覆写（override）在其超类中可访问到的具有相同签名的所有实例方法，从而使能了动态分派（dynamicdispatch）；换句话说，VM将基于实例的运行期类型来选择要调用的覆写方法。覆写是面向对象编程技术的基础，并且是唯一没有被普遍劝阻的名字重用形式：
class Base{
public void f(){}
}
class Derived extends Base{
public void f(){}
}
5.2隐藏（hide）
一个域、静态方法或成员类型可以分别隐藏（hide）在其超类中可访问到的具有相同名字（对方法而言就是相同的方法签名)的所有域、静态方法或成员类型。隐藏一个成员将阻止其被继承。
class Base{
public static void f(){}
}
class Derived extends Base {
private static void f(){} //hides Base. f()
}
5.3重载（overload）
在某个类中的方法可以重载（overload）另一个方法，只要它们具有相同的名字和不同的签名。由调用所指定的重载方法是在编译期选定的。
class CircuitBreaker{
public void f (int i){} //int overloading
public void f(String s){} //String overloading
}
5.4遮蔽（shadow）
一个变量、方法或类型可以分别遮蔽（shadow）在一个闭合的文本范围内的具有相同名字的所有变量、方法或类型。如果一个实体被遮蔽了，那么你用它的简单名是无法引用到它的;根据实体的不同，有时你根本就无法引用到它。
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
}
}
尽管遮蔽通常是被劝阻的，但是有一种通用的惯用法确实涉及遮蔽。构造器经常将来自其所在类的某个域名重用为一个参数，以传递这个命名域的值。这种惯用法并不是没有风险，但是大多数Java程序员都认为这种风格带来的实惠要超过其风险:
class Belt{
private find int size ; //Parameter shadows Belt. size
public Belt (int size){
this. size=size;
}
}
5.5遮掩（obscure）
一个变量可以遮掩具有相同名字的一个类型，只要它们都在同一个范围内:如果这个名字被用于变量与类型都被许可的范围，那么它将引用到变量上。相似地，一个变量或一个类型可以遮掩一个包。遮掩是唯一一种两个名字位于不同的名字空间的名字重用形式，这些名字空间包括:变量、包、方法或类型。如果一个类型或一个包被遮掩了，那么你不能通过其简单名引用到它，除非是在这样一个上下文环境中，即语法只允许在其名字空间中出现一种名字。遵守命名习惯就可以极大地消除产生遮掩的可能性:
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!”);
}
}
