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从hotspot源码层面剖析Java的多态实现原理原创

2007028

哈喽,我是子牙。十余年技术生涯,一路披荆斩棘从技术小白到技术总监到JVM专家到创业。技术栈如汇编、C语言、C++、Windows内核、Linux内核。特别喜欢研究虚拟机底层实现,对JVM有深入研究。分享的文章偏硬核,很硬的那种。

 

手撸过JVM、内存池、垃圾回收算法、synchronized、线程池、NIO…

 

 

本篇文章是接上篇文章【JVM的多态是如何实现的】写的,如果你还没看过,墙裂都建议你看一下。传送门

 

上篇文章我给出了这道面试题的及格分的回答及七八十分的回答,今天我就告诉大家如果想回答得接近满分,应该怎么回答。因为会设计到C++的虚表及C++的多态实现,如何这块你不理解或不熟,面试中建议别拿出来说,免得碰到懂C++给你来个连环call把你问懵了。

 

这边给大家补一个知识点。我在昨天的文章里说:当时设计OOP机制的时候,能够想到多态的人,真特么太牛叉了。我给大家讲一下我为什么这样说。或者说,OOP三大机制为什么就是封装、继承、多态。这么几十年了,没加一个、减一个或改一个。

 

由于多态需要通过动态绑定才能得以实现,而绑定通俗一点讲就是让不同的对象对同一个函数进行调用,或者反过来讲,就是让同一个函数与不同的对象绑定起来,所以多态得以实现的一个大前提就是,编程语言必须是面向对象的。同时,函数与对象相互绑定,意味着函数也属于对象的一部分,这便具备了封装的特性。因为有了封装,才有了对象。同时,一个函数能够绑定多个对象,意味着对各不同的对象具有相同的行为,这是继承的含义。

 

因此,面向对象的三大特性缺一不可。封装与继承其实是为了多态准备的,或者说,封装与继承成全了多态,多态让封装与继承的意义最大化。

01

C++是如何实现多态的

 

多态的实现,现在几乎所有的编程语言都是基于虚表实现的,英文vtable。这里我没有说全部,因为我也不是所有的语言都了解哈,不敢乱说,免得遭喷。^_^

 

C++的虚表在哪呢?在new创建的对象的头部。虚表里面存储的是什么呢?是虚函数。C++这块的知识我就不讲太多了,很多小伙伴不了解C++,讲多了没必要,作为一名Java程序员,了解到这个程度够了。

 

 

因为hotshot主要是用C++写的,讲了C++的虚表,这张图你应该就能看懂了。

 

 

不然总有小伙伴问我:Java的类对应的C++对象,为什么有C++级别的虚表啊。我没看到哪里有这样的代码啊。

 

搞清楚了虚表,再来了解虚表分发就容易多了。虚表分发,其实就是通过虚表内存地址拿到虚表记录,然后通过函数名+内含参数信息及返回值信息的签名去虚表中找。因为是从前往后找,所以如果子类重写了父类的方法,会调用子类的方法。

 

C++的虚表分发,我只是简单讲了下,讲多了大家没概念。JVM的虚表分发,我等下会讲得详细一些。很多现象,如果不了解它的底层,是不是百思不得其解。有那么多为什么?为什么?^_^

 

所以Java虽好,底层也很重要。顺便说下,虚表就是用数组实现的,没有有些小伙伴想得那么复杂。

02

JVM中的虚表

 

JVM的虚表跟C++的虚表还不太一样。不一样体现在哪呢?研究虚表研究三个东西:虚表在哪、虚表是用什么结构实现的、虚表分发机制是怎样的。JVM的虚表分发等下讲,JVM的虚表也是用数组实现的,那这个不一样就体现在虚表在哪?

 

Java的类,JVM中对应的C++对象是klass模型。Java的对象,JVM中对应的C++对象是oop模型。C++中的虚表在对象头中,而JVM的虚表在klass模型的头部,即Java类对象的头部。这点区别一定要记住,这样你才能理解Java对象的内存布局。

 

问个问题:我们随便定义的一个类,它有没有JVM虚表呢?其实是有的。那是哪些方法的内存地址呢?回答这个问题前先得搞明白:什么样的方法会存入虚表。只有public、protect类型的,且不被static、final修饰的方法才能被多态调用,才会进入虚表。因为Java中所有的类都是Object的子类,所以Object中满足这个条件的方法都会在每个类的虚表中。

 

又到了小伙伴不服气环节。么事,上证据。具体怎么查看我就不讲了,有点复杂。对hotspot没一定的功力讲了也没概念。

 

03

Java是如何实现虚表分发

 

有些小伙伴不理解:我只会Java干活都没问题呀,我为什么要学底层呢?那你想进大厂跟优秀的人成为同事吗?你想成为别人眼中的大佬吗?你希望在某个领域能有一定的名气吗……这些都需要实力来支撑。

 

有些小伙伴说:我手写一个JVM干什么呢?那我就用我手写的JVM来讲解这个知识点。这就是你有一个手写JVM的意义之一。

 

JVM实现虚表分发,对应的字节码指令有两个:invokevirtual、invokeinterface。上篇文章咱们深入讲解了invokeinterface,这篇文章咱们继续拿这个指令来讲这个知识点。我们来看看JVM是如何分发的。其实一看执行invokeinterface时的堆栈,你应该就能明白了。

 

 

虽然invokeinterface后面的操作数是接口方法信息。但是真正的对象会作为this传过来。所以在调用的时候,从操作数栈拿到真正的对象,然后通过对象头中的类型指针拿到TestDuotai对应的C++类对象,即klass模型。前面说了,虚表就在这个对象的头部。然后通过函数名+内含参数信息及返回值信息的签名去虚表中找。因为是从前往后找,所以如果子类重写了父类的方法,会调用子类的方法。这就是JVM虚表分发的底层原理。

 

这块有点难理解,需要的基础可能比较深。我不知道我这样写小伙伴们能不能看懂,怎么看都看不懂的小伙伴可以加我微信(jvm-ziya)来问我。

 

 

 

 

 

你好,我是子牙。十余年技术生涯,一路披荆斩棘从小白到技术总监到大厂中间件到创业。技术栈如汇编、C语言、C++、Windows内核、Linux内核及特别喜欢研究虚拟机底层实现,对JVM有深入研究。分享的文章偏硬核,很硬的那种。不考虑交个朋友吗?关注硬核子牙

 

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对编程语言的设计与实现有浓厚兴趣。聚焦Hotspot源码、Linux内核研究,硬核干货分享

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