Java多態和動態綁定是如何實現的

最近深入學習java，看到了動態綁定和多態這一章節，但遺憾的是，大部分的相關文章都停留於表面文字的描述。不得已，最后google了幾篇英文文章，在此總結下這個問題。

 

一、靜態綁定和動態綁定的區別

在Java中，當你調用一個方法時，可能會在編譯時期（compile time）解析（resolve），也可能實在運行時期（runtime）解析，這全取決於到底是一個靜態方法（static method）還是一個虛方法（virtual method）。如果是在編譯時期解析，那么就稱之為靜態綁定（static binding），如果方法的調用是在運行時期解析，那就是動態綁定（dynamic binding）或者延遲綁定（late binding）。Java是一門面向對象的編程語言，優勢就在於支持多態（Polymorphism）。多態使得父類型的引用變量可以引用子類型的對象。如果調用子類型對象的一個虛方法（非private,final or static），編譯器將無法找到真正需要調用的方法，因為它可能是定義在父類型中的方法，也可能是在子類型中被重寫（override）的方法，這種情形，只能在運行時進行解析，因為只有在運行時期，才能明確具體的對象到底是什么。這也是我們俗稱的運行時或動態綁定（runtime or dynamic binding）。另一方面，private static和final方法將在編譯時解析，因為編譯器知道它們不能被重寫，所有可能的方法都被定義在了一個類中，這些方法只能通過此類的引用變量進行調用。這叫做靜態綁定或編譯時綁定（static or compile time binding）。所有的private,static和final方法都通過靜態綁定進行解析。這兩個概念的關系，與“方法重載”（overloading，靜態綁定）和“方法重寫”（overriding，動態綁定）類似。動態綁定只有在重寫可能存在時才會用到，而重載的方法在編譯時期即可確定（這是因為它們總是定義在同一個類里面）

總而言之，其區別如下：

①靜態綁定在編譯時期，動態綁定在運行時期。

②靜態綁定只用到類型信息，方法的解析根據引用變量的類型決定，而動態綁定則根據實際引用的的對象決定

③在java中，private static 和 final 方法都是靜態綁定，只有虛方法才是動態綁定

④多態是通過動態綁定實現的。

 

二、動態綁定是如何實現的？

一個對象的多態方法的地址將被存儲在該對象的方法表（method table）里面。在運行時期，調用多態方法的時候，JVM會在此表中搜索方法的名字，從而獲取方法的地址。方法表里包含方法的名字和對應的地址（注意，這個地址是動態綁定的）。這個方法表對所有屬於這個類的對象而言，都是一樣的，所以它會存儲在Class對象中（這里對象類型以Integer為例）（在其他的語言中，這樣的表又叫做vtables，虛函數表）。需要說明的是，java語言中，如果沒有添加任何關鍵字，則方法默認就是虛方法，任何子類都可以重寫它。

方法表並不屬於語言的一部分，但是會有很多種不同的實現（不同的JVM提供商可以自由選擇實現的細節，只要結果保證一致就ok）。其中，Sun公司的JVM實現，則選擇了將方法表入口放在對象的常量池（constant pool）里，你可以使用命令java -verbose foo來查看。（所有的屬於同一個類型的對象都將擁有同一個方法表，JVM也可以將其放在別的地方）

下面，將通過一個圖表實例來展示，對於某些類（這里以Integer為例）而言，是如何一步步構建方法表的。初始時，表都是空的。運行時，方法表將從最遠的祖先類開始，逐步加入這些多態方法。通常，這個最遠的祖先是Object類。

方法名	地址	注釋
Object.toString	111	Object.toString method address
...	...	10個其他的方法

接下來，這個表中將加入第二遠的祖先類的多態方法，如果已經存在，就修改其地址值。此例中，第二遠的類是Number類。如果你查看了javadoc，你就會發現Number類並沒有重寫任何方法，只是額外多了六個方法，因而，將這六個多的方法加入表中。此時，toString項並沒有被改變，方法表如下：

方法名	地址	注釋
Object.toString	111	Number.toString method address
Number.intValue	222	Number.intValue method address
...	...	15個其他的方法

這個過程一直持續下去，直到所有的父類的多態方法都被合並進這個表里。最后，方法表會被Integer類的多態方法所更新，此時，toString方法會被重寫：

方法名	地址	注釋
Object.toString	333	Integer.toString method address
Number.intValue	444	interger.intValue method address
Integer.parseInt	555	Number.longValue method address
...	...	其他的一些方法

方法表中的方法名這一項，只包含最初始的類名，所謂重寫，只是修改了地址欄下的值，不會改變方法名的值。所以，如果用javap指令查看多態方法名，只會顯示Object.toString，而不是toString或者Integer.toString。

需要說明的是，此處，假如有Number num = new Integer(10)，即便方法表里面有了Integer.parseInt方法，我們仍不能通過num來調用parseInt。也就是說，num變量引用了Integer對象，並且與上述方法表關聯，但在編譯時期時，編譯器會根據語法規則，實行訪問控制，num不能調用和訪問獨屬於Integer的類方法，只能訪問自己擁有訪問權限的類方法，而這些方法中的某些方法，在運行過程中，名字未變，映射地址卻發生了變化，因而調用的是所引用的子類Integer的實現。這點要弄清楚！