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Java 多型的實現機制

(給ImportNew加星標,提高Java技能)

 

轉自:博客園,作者:crane_practice

鏈接:

www.cnblogs.com/crane-practice/p/3671074.html

 

是父類或接口定義的取用變數可以指向子類或實現類的實體物件,而程式呼叫的方法在運行期才動態系結,就是取用變數所指向的具體實現物件的方法,也就是記憶體里正在運行的那個物件的方法,而不是取用變數的型別中定義的方法。

 

淺談多型機制的意義及實現

 

在面向物件編程(Object-Oriented Programming, OOP)中,多型機制無疑是其最具特色的功能,甚至可以說,不運用多型的編程不能稱之為OOP。這也是為什麼有人說,使用面向物件語言的編程和麵向物件的編程是兩碼事

 

多型並沒有一個嚴格的定義,維基百科上給它下的定義比較寬鬆:

 

Subtype polymorphism, almost universally called just polymorphism in the context of object-oriented programming, is the ability of one type, A, to appear as and be used like another type, B.

 

一、子型別和子類

 

這裡我想先提一下子型別(Subtype)這個詞和子類(Subclass)的區別,簡單地說,只要是A類運用了extends關鍵字實現了對B類的繼承,那麼我們就可以說Class A是Class B的子類,子類是一個語法層面上的詞,只要滿足繼承的語法,就存在子類關係。

 

子型別比子類有更嚴格的要求,它不僅要求有繼承的語法,同時要求如果存在子類對父類方法的改寫(override),那麼改寫的內容必須符合父類原本的語意,其被呼叫後的作用應該和父類實現的效果方向一致。

 

對二者的對比是想強調一點:只有保證子類都是子型別,多型才有意義

 

二、多型的機制

 

本質上多型分兩種:

 

  1. 編譯時多型(又稱靜態多型)
  2. 運行時多型(又稱動態多型)

 

多載(overload)就是編譯時多型的一個例子,編譯時多型在編譯時就已經確定,運行時運行的時候呼叫的是確定的方法。

 

我們通常所說的多型指的都是運行時多型,也就是編譯時不確定究竟呼叫哪個具體方法,一直延遲到運行時才能確定。這也是為什麼有時候多型方法又被稱為延遲方法的原因。

 

在維基百科中多型的行為被描述為:

 

The primary usage of polymorphism in industry (object-oriented programming theory) is the ability of objects belonging to different types to respond to method, field, or property calls of the same name, each one according to an appropriate type-specific behavior.

 

下麵簡要介紹一下運行時多型(以下簡稱多型)的機制。

 

多型通常有兩種實現方法:

 

  1. 子類繼承父類(extends)
  2. 類實現接口(implements)

 

無論是哪種方法,其核心之處就在於對父類方法的改寫或對接口方法的實現,以取得在運行時不同的執行效果。

 

要使用多型,在宣告物件時就應該遵循一條法則:宣告的總是父類型別或接口型別,創建的是實際型別。舉例來說,假設我們要創建一個ArrayList物件,宣告就應該採用這樣的陳述句:

 

List list =newArrayList();

 

而不是

 

ArrayList list =newArrayList();

 

在定義方法引數時也通常總是應該優先使用父類型別或接口型別,例如某方法應該寫成:

 

publicvoid doSomething(List list);

 

而不是

 

publicvoid doSomething(ArrayList list);

 

這樣宣告最大的好處在於結構的靈活性:假如某一天我認為ArrayList的特性無法滿足我的要求,我希望能夠用LinkedList來代替它,那麼只需要在物件創建的地方把new ArrayList()改為new LinkedList即可,其它代碼一概不用改動。

 

The programmer (and the program) does not have to know the exact type of the object in advance, and so the exact behavior is determined at run-time (this is called late binding or dynamic binding).

 

虛擬機會在執行程式時動態呼叫實際類的方法,它會通過一種名為動態系結(又稱延遲系結)的機制自動實現,這個過程對程式員來說是透明的。

 

三、多型的用途

 

多型最大的用途我認為在於對設計和架構的復用,更進一步來說,《設計樣式》中提倡的針對接口編程而不是針對實現編程就是充分利用多型的典型例子。定義功能和組件時定義接口,實現可以留到之後的流程中。同時一個接口可以有多個實現,甚至於完全可以在一個設計中同時使用一個接口的多種實現(例如針對ArrayList和LinkedList不同的特性決定究竟採用哪種實現)。

 

四、多型的實現

 

下麵從虛擬機運行時的角度來簡要介紹多型的實現原理,這裡以Java虛擬機(Java Virtual Machine, JVM)規範的實現為例。

 

在JVM執行Java位元組碼時,型別信息被存放在方法區中,通常為了優化物件呼叫方法的速度,方法區的型別信息中增加一個指標,該指標指向一張記錄該類方法入口的表(稱為方法表),表中的每一項都是指向相應方法的指標

 

方法表的構造如下:

 

由於Java的單繼承機制,一個類只能繼承一個父類,而所有的類又都繼承自Object類。方法表中最先存放的是Object類的方法,接下來是該類的父類的方法,最後是該類本身的方法。這裡關鍵的地方在於,如果子類改寫了父類的方法,那麼子類和父類的那些同名方法共享一個方法表項,都被認作是父類的方法。

 

註意這裡只有非私有的實體方法才會出現,並且靜態方法也不會出現在這裡,原因很容易理解:靜態方法跟物件無關,可以將方法地址直接取用,而不像實體方法需要間接取用。

 

更深入地講,靜態方法是由虛擬機指令invokestatic呼叫的,私有方法和建構式則是由invokespecial指令呼叫,只有被invokevirtual和invokeinterface指令呼叫的方法才會在方法表中出現。

 

由於以上方法的排列特性(Object——父類——子類),使得方法表的偏移量總是固定的。例如,對於任何類來說,其方法表中equals方法的偏移量總是一個定值,所有繼承某父類的子類的方法表中,其父類所定義的方法的偏移量也總是一個定值。

 

前面說過,方法表中的表項都是指向該類對應方法的指標,這裡就開始了多型的實現:

 

假設Class A是Class B的子類,並且A改寫了B的方法method(),那麼在B的方法表中,method方法的指標指向的就是B的method方法入口。

 

而對於A來說,它的方法表中的method方法則會指向其自身的method方法而非其父類的(這在類加載器載入該類時已經保證,同時JVM會保證總是能從物件取用指向正確的型別信息)。

 

結合方法指標偏移量是固定的以及指標總是指向實際類的方法域,我們不難發現多型的機制就在這裡:

 

在呼叫方法時,實際上必須首先完成實體方法的符號取用解析,結果是該符號取用被解析為方法表的偏移量。虛擬機通過物件取用得到方法區中型別信息的入口,查詢類的方法表,當將子類物件宣告為父類型別時,形式上呼叫的是父類方法,此時虛擬機會從實際類的方法表(雖然宣告的是父類,但是實際上這裡的型別信息中存放的是子類的信息)中查找該方法名對應的指標(這裡用“查找”實際上是不合適的,前面提到過,方法的偏移量是固定的,所以只需根據偏移量就能獲得指標),進而就能指向實際類的方法了。

 

我們的故事還沒有結束,事實上上面的過程僅僅是利用繼承實現多型的內部機制,多型的另外一種實現方式:實現接口相比而言就更加複雜,原因在於,Java的單繼承保證了類的線性關係,而接口可以同時實現多個,這樣光憑偏移量就很難準確獲得方法的指標。所以在JVM中,多型的實體方法呼叫實際上有兩種指令:

 

  • invokevirtual指令用於呼叫宣告為類的方法;
  • invokeinterface指令用於呼叫宣告為接口的方法。

 

當使用invokeinterface指令呼叫方法時,就不能採用固定偏移量的辦法,只能老老實實挨個找了(當然實際實現並不一定如此,JVM規範並沒有規定究竟如何實現這種查找,不同的JVM實現可以有不同的優化演算法來提高搜索效率)。我們不難看出,在性能上,呼叫接口取用的方法通常總是比呼叫類的取用的方法要慢。這也告訴我們,在類和接口之間優先選擇接口作為設計並不總是正確的,當然設計問題不在本文探討的範圍之內,但顯然具體問題具體分析仍然不失為更好的選擇。

 

個人見解:多型機制包括靜態多型(編譯時多型)和動態多型(運行時多型),靜態多型比如說多載,動態多型是在編譯時不能確定呼叫哪個方法,得在運行時確定。動態多型的實現方法包括子類繼承父類和類實現接口。當多個子類上轉型(不知道這麼說對不)時,物件掉用的是相應子類的方法,這種實現是與JVM有關的。

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