Java字节码角度分析多态原理 ——提升硬实力8

25-03-07 20:01

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在前面的文章中，有详细地介绍java字节码相关的知识，有兴趣的可以提前了解一下。

1.Java字节码的一段旅行经历——提升硬实力1

2.Java字节码角度分析a++ ——提升硬实力2

3.Java字节码角度分析条件判断指令 ——提升硬实力3

4.Java字节码角度分析循环控制 ——提升硬实力4

5.Java字节码角度分析判断结果 ——提升硬实力5

6.Java字节码角度分析构造方法 ——提升硬实力6

7.Java字节码角度分析方法调用 ——提升硬实力7

通过：7.Java字节码角度分析方法调用 ——提升硬实力7，我们已经知道了如下知识：

invokespecial只能调用三类方法：方法、private方法、super.method()。因为这三类方法的调用对象在编译时就可以确定。
invokevirtual是一种动态分派的调用指令：也就是引用的类型并不能决定方法属于哪个类型。

接下来，我们将以字节码的视角来分析java多态原理，先来看一下java多态实现的示例：

 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="1">

class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">// 从字节码角度来分析：多态原理

class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="2">

 class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">/** class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="3"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> * 演示多态原理，注意加上下面的 JVM参数，禁用指针压缩
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="4"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> * -XX:-UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="5"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> */
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="6"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">public class T12_ByteAnalyseDuoTai {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="7"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    // 此处，就会有多态应用。
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="8"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    public static void test(Animal animal) {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="9"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        // 因为animal有可能是狗，也可能是猫，且不同对象eat方法实现不一样
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="10"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        // 后续将演示eat方法是哪个对象调用，从字节码角度对eat方法查找调用过程
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="11"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        animal.eat();
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="12"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        System.out.println(animal.toString());
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="13"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    }
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="14"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> 
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="15"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    public static void main(String[] args) throws IOException {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="16"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        test(new Cat());
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="17"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        test(new Dog());
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="18"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        System.in.read();
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="19"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    }
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="20"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">}
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="21"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> 
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="22"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">abstract class Animal {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="23"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    public abstract void eat();
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="24"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> 
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="25"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    @Override
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="26"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    public String toString() {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="27"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        return "我是" + this.getClass().getSimpleName();
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="28"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    }
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="29"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">}
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="30"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> 
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="31"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">class Dog extends Animal {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="32"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> 
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="33"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    @Override
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="34"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    public void eat() {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="35"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        System.out.println("啃骨头");
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="36"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    }
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="37"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">}
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="38"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> 
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="39"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> 
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="40"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">class Cat extends Animal {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="41"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line"> 
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="42"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    @Override
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="43"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    public void eat() {
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="44"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">        System.out.println("吃鱼");
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="45"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">    }
 class="hljs-ln-numbers"> class="hljs-ln-line hljs-ln-n" data-line-number="46"> class="hljs-ln-code"> class="hljs-ln-line">}

class="hide-preCode-box">

class="hljs-button signin active" data-title="登录复制" data-report-click="{"spm":"1001.2101.3001.4334"}" onclick="hljs.signin(event)">

上述代码通过：javap -v T12_ByteAnalyseDuoTai.class进行反编译，得到如下字节码。得到：动态方法在字节码层面是通过invokevirtual 来调用的。

上述代码产生的多态应用，因为Animal具体实例有可能是狗，也可能是猫，且不同对象 eat() 方法实现不一样，接下来将演示 eat() 方法是哪个对象调用，从字节码角度对 eat() 方法查找调用过程

1、运行代码

停在System.in.read() 方法上，这时运行jps获取进程id

2、运行HSDB工具

进入JDK安装目录，执行：java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB
进入图形界面attach 进程id

3、HSDB - HotSpot Debugger -> Tools -> Find Object by Query

输入查询语句：select d from com.jvm.t07_bytecode.T12_ByteAnalyseDuoTai.Dog d，如下图

点击Dog 对象内存地址，就会得到Dog对象在内存的实际表示，如下图：

接下来，继续通过Dog对象内存地址继续查看Dog对象在内存的表现形式

我们复制0x000000001c794028，继续在【Tools】-> 【Inspector】查看对象在java内存的完整表示，如下：

接下来，继续查找多态方法。多态方法是存在于一张叫vtable虚方法表中，在Dog类对象在java内存的完整表示最后面。找到虚方法表，需要在当前地址 0x000000001c794028 加上 1B8 = 0x000000001c7941E0

接下来通过【Windows】 -> 【console】查找Dog类对应的虚方法表信息，指令如下：其中6是指虚方法表的长度

mem 0x000000001c7941E0 6

得到了Dog类对应所有重写方法的入口地址，如下图：

上述说的Dog类所有重写的方法，具体对应哪些方法呢。我们知道Dog类继承自Animal，Animal继承自Object。接下来，分别从Dog、Animal、Object类进行查找。通过【Tools】 -> 【Class Browser】

说明：Dog类vtable虚方法表中调用的 eat() 方法是 Dog 类的 eat() 方法，不是 Cat 类的 eat() 方法，也不是 Animal 类的 eat() 方法。

接下来继续虚方法表vtable其他方法调用的是哪个方法，查找Dog类的父类Animal类，如下图：

说明：Dog类虚方法表中 toString() 方法调用的是 Animal 的 toString() 方法，因为 Dog 类没有 toString() 方法，因父类 Animal 有 toString() 方法。

最后，再来看一下Object类，如下图：

总结：通过对象找到它的 Class 类，获取到它的虚方法表后，就能确定虚方法表中每个方法实际的方法入口地址。有的来自于自己（eat方法），有的来自于父类（toString方法）。将来，对象调用方法时，就能明确知道调用哪个方法了。最后提醒大家，虚方法表是在类的加载过程的链接阶段生成的，所以在链接阶段就已经确定了虚方法表每个方法的入口地址

小结

一句话总结：invokevirtual 指令调用的对象vtable中的方法。

多态方法调用，当执行 invokevirtual指令时，

先通过栈帧中的对象引用找到对象
分析对象头，找到对象的实际Class
Class结构中有vtable，它在类加载的链接阶段就已经根据方法的重写规则生成好了
查表到得方法的具体地址
执行方法的字节码

多态方法调用，需要在执行过程中经过虚方法表多次查找，过程比较复杂。如果从细微的效率来说，它是不如static。

当然jvm底层也做很多虚方法表查找过程的优化，比如缓存、经常查找的方法放入缓存，这样查找较快。如果Animal只有Dog继承，没有Cat继承的话，jvm会将多态转换为单态，这样加快方法的寻址速度。

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