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理解Java程序的执行原创

1年前
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main 方法

public class Solution {
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        person.hello();
    }
}

class Person {
    public void hello() {
        System.out.println("hello");
    }
}

源文件名是 Solution.java,这是因为文件名必须与 public 类的名字相匹配。在一个源文件中,只能有一个公有类,但可以有任意数目的非公有类。

在这个示例程序中包含两个类:Person 类和带有 public 访问修饰符的 Solution 类。Solution 类包含了 main 方法。

当编译这段源代码的时候,编译器将在目录下创建两个 class 文件:Solution.class 和 Person.class。

将程序中包含 main 方法的类名提供给字节码解释器,以便启动这个程序:java Solution。字节码解释器开始运行 Solution 类的 main 方法中的代码。

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理解方法调用

下面假设要调用 x.f(args)。下面是调用过程的详细描述:

  • 编译时:
    1. 编译器査看对象变量的声明类型和方法名,然后获得所有可能被调用的候选方法。
    2. 编译器査看调用方法时提供的参数类型,然后获得需要调用的方法名字和参数类型。
  • 运行时:
    • 如果方法是 private 方法、static 方法、final 方法或者构造器方法,那么编译器将可以准确地知道应该调用哪个方法,我们将这种调用方式称为静态绑定(static binding)。与此对应的是,调用的方法依赖于对象变量 x 的实际类型,并且在运行时实现动态绑定。
    • 虚拟机预先为每个类创建了一个方法表(method table),方法表中列出了所有方法的签名和实际调用的方法。这样一来,在真正调用方法的时候,虚拟机仅查找方法表就行了。

1、编译器査看对象变量的声明类型和方法名,然后获得所有可能被调用的候选方法。假设调用 x.f(param),且对象变量 x 被声明为 C 类型。需要注意的是:有可能存在多个名字为 f,但参数类型不一样的方法。例如,可能存在方法 f(int) 和方法 f(String)。编译器将会一一列举所有 C 类中名为 f 的方法和其父类中访问属性为 public 且名为 f 的方法(父类的私有方法不可访问)。至此,编译器已获得所有可能被调用的候选方法。

2、接下来,编译器将査看调用方法时提供的参数类型,然后获得需要调用的方法名字和参数类型。如果在所有名为 f 的方法中存在一个与提供的参数类型完全匹配,就选择这个方法。这个过程被称为重载解析(overloading resolution)。例如,对于调用 x.f("Hello") 来说,编译器将会挑选 f(String),而不是 f(int)。由于允许类型转换(int 可以转换成 double,Manager 可以转换成 Employee 等),所以这个过程可能很复杂。如果编译器没有找到与参数类型匹配的方法,或者发现经过类型转换后有多个方法与之匹配,就会报告一个错误。至此,编译器已获得需要调用的方法名字和参数类型。

如果方法是 private 方法、static 方法、final 方法或者构造器方法,那么编译器将可以准确地知道应该调用哪个方法,我们将这种调用方式称为静态绑定(static binding)。与此对应的是,调用的方法依赖于对象变量 x 的实际类型,并且在运行时实现动态绑定。在我们列举的示例中,编译器采用动态绑定的方式生成一条调用 f(String) 的指令。

当程序运行,并且采用动态绑定调用方法时,虚拟机一定调用与对象变量 x 所引用的对象的实际类型最合适的那个类的方法。假设 x 的实际类型是 D,D 是 C 类的子类。如果 D 类定义了 f(String) 方法,虚拟机就直接调用 D 类的 f(String) 方法;否则(D 类中没有定义 f(String) 方法),将在 D 类的父类中寻找 f(String),以此类推。


每次调用方法都要进行搜索,时间开销相当大。因此,虚拟机预先为每个类创建了一个方法表(method table),方法表中列出了所有方法的签名(方法名、参数类型)和实际调用的方法。这样一来,在真正调用方法的时候,虚拟机仅查找方法表就行了。

在前面的例子中,虚拟机搜索 D 类的方法表,以便寻找与调用 f(Sting) 相匹配的方法。这个方法既有可能是 D.f(String),也有可能是 C.f(String),这里的 C 是 D 的父类。这里需要提醒一点,如果调用 super.f(param),编译器将对对象变量父类的方法表进行搜索。

方法调用的示例

public static void main(String[] args) {
    Employee e = new Manager("Carl Cracker", 80000, 1987, 12, 15);
    System.out.println("salary=" + e.getSalary());
}

现在,查看一下调用 e.getSalary() 的详细过程。对象变量 e 被声明为 Employee 类型。Employee 类只有一个名叫 getSalary() 的方法,这个方法没有参数。因此,在这里不必担心重载解析的问题。

由于 getSalary() 不是 private 方法、static 方法,也不是 final 方法,所以将采用动态绑定。虚拟机为 Employee 和 Manager 两个类生成方法表。


在 Employee 的方法表中,列出了这个类定义的方法。实际上,下面列出的方法并不完整,Employee 类有一个父类 Object,Employee 类从这个父类中还继承了许多方法,在此我们略去了 Object 的方法。

Employee:
    getName() -> Employee.getName()
    getSalary() -> Employee.getSalary()
    getHireDay() -> Employee.getHireDay()
    raiseSalary(double) -> Employee.raiseSalary(doubl e)

Manager 的方法表稍微有些不同。其中有三个方法是继承而来的,一个方法是重新定义的(方法的重写),还有一个方法是新增加的。

Manager:
    getName() -> Employee.getName()
    getSalary() -> Manager.getSalary()
    getHireDay() -> Employee.getHireDay()
    raiseSalary(double) -> Employee.raiseSalary(doubl e)
    setBonus(double) -> Manager.setBonus(double)

在运行时,调用 e.getSalary() 的解析过程为:

  1. 首先,虚拟机提取对象变量 e 的实际类型的方法表。既可能是 Employee、Manager 的方法表,也可能是 Employee 类的其他子类的方法表。
  2. 接下来,虚拟机搜索对象变量 e 的实际类型的方法表。此时,虚拟机已经知道应该调用哪个方法。
  3. 最后,虚拟机调用方法。

动态绑定有一个非常重要的特性:无需对现存的代码进行修改,就可以对程序进行扩展。假设增加一个新类 Executive,并且对象变量 e 有可能引用这个类的对象,我们不需要对包含调用 e.getSalary() 的代码进行重新编译。如果 e 恰好引用一个 Executive 类的对象,就会自动地调用 Executive.getSalary() 方法。

参考资料

《Java核心技术卷一:基础知识》(第10版)第 5 章:继承 5.1.6 理解方法调用

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月明风清
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