「Java 路线」| 方法调用的本质（含重载与重写区别）

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前言

对于习惯使用面向对象开发的工程师们来说，重载 & 重写 这两个概念应该不会陌生了。在中 / 低级别面试中，也常常会考察面试者对它们的理解（隐约记得当年在校招面试时遇到过）；
网上大多数资料 & 面经对这两个概念的阐述，多数仅停留在讨论两者在 表现上 的差异，让读者去被动地接受知识。在这篇文章里，我将更有深度地理解重载 & 重写的原理，应深入理解Java 虚拟机执行引擎是如何进行方法调用的。请点赞，你的点赞和关注真的对我非常重要！

首先，尝试写出以下程序的输出：

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); // 正常编程中不应该用实例去调用静态方法
        child1.funcStatic(obj);
        child2.funcStatic(obj);

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

程序输出：

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

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

程序输出是否与你的预期一致呢？遇到困难了吗，相信这篇文章一定能帮到你...

延伸文章

对于Java编译过程不了解，请阅读：《Java | 聊一聊编译过程（编译前端 & 编译后端）》
对于Class 文件 & 符号引用不了解，请阅读：《Java | 请概述一下 Class 文件的结构》
对于类加载的流程不太了解，请阅读：《Java | 谈谈你对类加载过程的理解》

1. 静态类型 & 实际类型

每一个变量都有两种类型：静态类型（Static Type） & 实际类型（Actual Type）。例如下面代码中，Base为变量base的静态类型，Child为实际类型：

Base base = new Child();

两者的具体区别如下：

静态类型：引用变量的类型，在编译期确定，无法改变
实际类型：实例对象的类型，在编译期无法确定，需在运行期确定，可以改变

这里先谈到这里，后文会从字节码的角度理解继续讨论两个类型。

2. 方法调用的本质

这一节，我们来讨论Java中方法调用的本质。我们知道，Java前端编译的产物是字节码，与C/C++不同，前端编译过程中并没有链接步骤，字节码中所有的方法调用都是使用符号引用。举个例子：

- 源码：

public class Child extends Base {

    @Override
    void func() {
    }

    void test1(){
        func();
    }

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

- 字节码（javap -c Child.class）：

Compiled from "Child.java"
public class com.Child extends com.Base {
  // 构造函数，默认调用父类构造函数
  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 调用实例方法
       1: invokevirtual #2 // Method func:()V
       4: return

  void test2();
    Code:
       0: aload_0
       // invokespecial 调用静态方法
       1: invokespecial #3 // Method com/Base.func:()V
       4: return
}

上面的字节码中，invokespecial和invokevirtual都是方法调用的字节码指令，具体细节下文会详细解释。后面的#1 #2 #3表示符号引用在常量池中的索引号，根据这个索引号检索常量表，可以查到最终表示的是一个字符串字面量，例如func:()V，这个就是方法的符号引用。

为了方便理解字节码，javap反编译的字节码已经在注释中提示了最终表示的值，例如Method func:()V。

符号引用（Symbolic References）是一个用来无歧义地标识一个实体（例如方法/字段）的字符串，在运行期它会翻译为直接引用（Direct Reference）。对于方法来说，就是方法的入口地址。

下图描述了方法符号引用的基本格式：

方法的符号引用

这个符号引用包含了变量的静态类型（如果是变量的静态类型与本类相同，不需要指明）、简单方法名以及描述符（参数顺序、参数类型和方法返回值）。通过这个符号引用，Java虚拟机就可以翻译出该方法的直接引用。但是，同一个符号引用，运行时翻译出来的直接引用可能是不同的，为什么会这样呢？

小结：
1. 方法调用的本质是根据方法的符号引用确定方法的直接引用（入口地址）

3. 从符号引用到直接引用

为什么同一个符号引用，运行时翻译出来的直接引用可能是不同的？这与使用的方法调用指令的处理过程有关，Java字节码的方法调用指令一共有以下 5 种：

五种方法调用指令

其中，根据调用方法的版本是否在编译期可以确定，（注意：只是版本，而不是入口地址，入口地址只能在运行时确定）可以将方法调用划分为静态解析 & 动态分派两种。

# 误区（重要）#

《深入理解Java虚拟机》中将方法调用分为解析、静态分派、动态分派三种，又根据宗量的数量引入了静态多分派，动态单分派的概念。这些概念事实上过于字典化，也很容易让读者误认为静态分派与动态分派是非此即彼的互斥关系。事实上，一个方法可以同时重写与重载，重载 & 重写是方法调用的两个阶段，而不是两个种类。

下面，我将介绍Java中方法选择的三个步骤：

3.1 步骤1：生成符号引用（编译时）

上一节我们提到过方法符号引用的基本格式，分为三个部分：

变量的静态类型：
类的全限定名中将.替换为/，例如java.lang.Object对应java/lang/Object
简单名称：
方法的名称，例如Object#toString()的简单名称为：toString
描述符：
方法的参数列表和返回值，例如Object#toString()的描述符为()LJava/lang/String;

描述符的规则不是本文重点，这里便不再赘述了，若不了解可阅读延伸文章。这里我们用两段程序验证上述规则，这两段程序中我们考虑了重载 & 重写、静态 & 实例两个维度的因素：

程序一（重载 & 重写）

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，符号引用中的类名确实是变量的静态类型，而不是变量的实际类型；方法名不用多说，方法描述符则选择重载方法中最合适的一个方法。这个例程很容易判断重载方法选择结果，具体选择规则其实更为复杂。

程序二（静态 & 实例）

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();

        符号引用与程序一相同，仅指令不同

        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对符号引用没有影响，仅影响使用的指令（静态方法调用使用invokestatic）。而通过对象实例去调用静态方法是javac的语法糖，编译时会转换为使用变量的静态类型固化到符号引用中。

小结：
1. 方法的符号引用在编译期确定，并固化到字节码中方法调用指令的参数中
2. 是否有static修饰对符号引用没有影响，仅影响使用的字节码指令，对象实例去调用静态方法是javac的语法糖

3.2 步骤二：解析（类加载时）

为什么静态方法、私有实例方法、实例构造器<init>、父类方法以及final修饰这五种方法（对应的关键字： static、private、<init>、super、final）可以在编译期确定版本呢？因为无论运行时加载多少个类，这些方法都保证唯一的版本：

方法	原因
`static`	相同签名的子类方法会隐藏父类方法
`private`	只在本类可见
`<init>`	由编译器生成，源码无法编写
`super`	`Java`是单继承，只有一个父类
`final`	禁止被重写

既然可以确定方法的版本，虚拟机在处理invokestatic、invokespecial、invokevirtual(final)时，就可以提前将符号引用转换为直接引用，不必延迟到方法调用时确定，具体来说，是在类加载的解析阶段完成转换的。

invokestatic 指令

1）类加载解析阶段：根据符号引用中类名（如下例中java/lang/String变量的静态类型中），在对应的类中找到简单名称与描述符相符合的方法，如果找到则将符号引用转换为直接引用；否则，按照继承关系从下往上依次在各个父类中搜索
2）调用阶段：符号引用已经转换为直接引用；调用invokestatic不需要将对象加载到操作数栈，只需要将所需要的参数入栈就可以执行invokestatic指令。例如：

源码：
String str = String.valueOf（"1"）

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

invokespecial 指令

1）类加载解析阶段：同invokestatic，也是从符号引用中的静态类型开始查找
2）调用阶段：同invokestatic，符号引用已经转换为直接引用；<init>、父类方法、私有实例方法这3种情况都是属于实例方法，所以调用invokespecial指令需要将对象加载到操作数栈。例如：

1、源码（实例构造器）：
String str = new String();

字节码：
0: new           #2 // class java/lang/String
3: dup
4: invokespecial #3 // Method java/lang/String."<init>":()V
7: astore_1
--------------------------------------------------------------------
2、源码（父类方法）：
super.func();

字节码：
0: aload_0
1: invokespecial #2 // Method com/Base.func:()V
--------------------------------------------------------------------
3、源码（私有方法）：
funcPrivate();

字节码：
0: aload_0
1: invokespecial #2 // Method funPrivate:()V

3.3 步骤三：动态分派（类使用时）

动态分派分为invokevitrual、invokeinterface 与 invokedynamic，其中动态调用invokedynamic是 JDK 1.7 新增的指令，我们单独在另一篇中解析。有些同学可能会觉得方法不重写不就只有一个版本了吗？这个想法忽略了Java动态链接的特性，Java可以从任何途径加载一个class，除非解析的 5 种的情况外，无法保证方法不被重写。

invokevirtual指令

虚拟机为每个类生成虚方法表vtable（virtual method table）的结构，类中声明的方法的入口地址会按固定顺序存放在虚方法表中；虚方法表还会继承父类的虚方法表，顺序与父类保持一致，子类新增的方法按顺序添加到虚方法末尾（这以Java单继承为前提）；若子类重写父类方法，则重写方法位置的入口地址修改为子类实现；

1）类加载解析阶段：解析类的继承关系，生成类的虚方法表（包含了这个类型所有方法的入口地址）。举个例子，有Class B继承与Class A，并重写了A中的方法：

Object是所有类的父类，所有每个类的虚方法表头部都会包含Object的虚方法表。另外，B重写了A#printMe()，所以对应位置的入口地址方法被修改为B重写方法的入口地址。

需要注意的是，被final、static或private修饰的方法不会出现在虚方法表中，因为这些方法无法被继承重写。

2）调用阶段（动态分派）：解析阶段生成虚方法表后，每个方法在虚方法表中的索引是固定的，这是不会随着实际类型变化影响的。调用方法时，首先根据变量的实际类型获得对应的虚方法表（包含了这个类型所有方法的入口地址），然后根据索引找到方法的入口地址。

invokeinterface指令

接口方法的选择行为与类方法的选择行为略有区别，主要原因是Java接口是支持多继承的，就没办法像虚方法表那样直接继承父类的虚方法表。虚拟机提供了itable（interface method table）来支持多接口，itable由偏移量表offset table与方法表method table两部分组成。

当需要调用某个接口方法时，虚拟机会在offset table查找对应的method table，随后在该method table上查找方法。

3.4 性能对比

invokestatic & invokespecial可以直接调用方法入口地址，最快
invokevirtual通过编号在vtable中查找方法，次之
invokeinterface现在offset table中查找method table的偏移位置，随后在method table中查找接口方法的实现

4. 总结

方法调用的本质是从符号引用转换到直接引用（方法入口地址）的过程，一共需要经过（编译时）生成符号引用、（类加载时）解析、（调用时）动态分派三个步骤
invokestatic & invokespecial指令在（类加载时）解析时根据静态类型完成转换
invokevirtual & invokeinterface在（调用时）根据实际类型，查找vtable & itable完成转换
重载其实是编译器的语法特性与多态无关，对编译时符号引用生成有影响，在运行时已经没有影响了；重写是多态的基础，虚拟机通过vtable & itable来支持虚方法的方法选择。

参考资料

《深入理解Java虚拟机（第3版本）》（第8章）—— 周志明著
《深入理解Android：Java虚拟机 ART》（第2章） —— 邓凡平著
《深入理解 JVM 字节码》（第2、3章）—— 张亚著

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