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JVM执行方法调用(一)- 重载与重写

原文
回顾 Java 语言中的重载与重写,并且看看 JVM 是怎么处理它们的。
重载 Overload
定义:

在同一个类中有多个方法,它们的名字相同,但是参数类型不同。
或者,父子类中,子类有一个方法与父类非私有方法名字相同,但是参数类型不同。那么子类的这个方法对父类方法构成重载。

JVM 是怎么处理重载的?其实是编译阶段编译器就已经决定好调用哪一个重载方法。看下面代码:
class Overload {
void invoke(Object obj, Object… args) {}
void invoke(String s, Object obj, Object… args) {}

void test1() {
// 调用第二个 invoke 方法
invoke(null, 1);
}
void test2() {
// 调用第二个 invoke 方法
invoke(null, 1, 2);
}
void test3() {
// 只有手动绕开可变长参数的语法糖,才能调用第一个 invoke 方法
invoke(null, new Object[]{1});
}
}
上面的注释告诉了我们结果,那么怎么才能证明上面的注释呢?我们利用 javap 观察字节码可以知道。
$ javac Overload.java
$ javap -c Overload.java

Compiled from “Overload.java”
class Overload {

void invoke(java.lang.Object, java.lang.Object…);
Code:
0: return
void invoke(java.lang.String, java.lang.Object, java.lang.Object…);
Code:
0: return
void test1();
Code:

10: invokevirtual #4 // Method invoke:(Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)V
13: return
void test2();
Code:

17: invokevirtual #4 // Method invoke:(Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)V
20: return
void test3();
Code:

13: invokevirtual #5 // Method invoke:(Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)V
16: return
}
这里面有很多 JVM 指令,你暂且不用关心,我们看 test1、test2、test3 方法调用的是哪个方法:
void test1();
Code:

10: invokevirtual #4 // Method invoke:(Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)V
13: return
invoke 是方法名,(Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)V 则是方法描述符。这里翻译过来就是 void invoke(String, Object, Object[]),Java 的可变长参数实际上就是数组,所以等同于 void invoke(String, Object, Object…)。同理,test2 调用的是 void invoke(String, Object, Object…),test3 调用的是 void invoke(Object, Object…)。关于方法描述符的详参 JVM Spec – 4.3.2. Field Descriptors 和 JVM Spec – 4.3.3. Method Descriptors。
所以重载方法的选择是在编译过程中就已经决定的,下面是编译器的匹配步骤:

不允许自动拆装箱,不允许可变长参数,尝试匹配
如果没有匹配到,则允许自动拆装箱,不允许可变长参数,尝试匹配
如果没有匹配到,则允许自动拆装箱,允许可变长参数,尝试匹配

注意:编译器是根据实参类型来匹配,实参类型和实际类型不是一个概念
如果在一个步骤里匹配到了多个方法,则根据形参类型来找最贴切的。在上面的例子中第一个 invoke 的参数是 Object, Object…,第二个 invoke 的参数是 String, Object, Object…,两个方法的第一个参数 String 是 Object 的子类,因此更为贴切,所以 invoke(null, 1, 2) 会匹配到第二个 invoke 方法上。
重写 Override
Java 语言中的定义:

子类方法有一个方法与父类方法的名字相同且参数类型相同。

父类方法的返回值可以替换掉子类方法的返回值。也就是说父类方法的返回值类型:

要么和子类方法返回值类型一样。
要么是子类方法返回值类型的父类。

两者都是非私有、非静态方法。

(更多详细信息可参考 Java Language Spec – 8.4.8. Inheritance, Overriding, and Hiding,这里除了有更精确详细的重写的定义,同时包含了范型方法的重写定义。)
但是 JVM 中对于重写的定义则有点不同:

子类方法的名字与方法描述符与父类方法相同。
两者都是非私有、非静态方法。

(更多详细信息可参考 JVM Spec – 5.4.5. Overriding)
注意上面提到的方法描述符,前面讲过方法描述符包含了参数类型及返回值,JVM 要求这两个必须完全相同才可以,但是 Java 语言说的是参数类型相同但是返回值类型可以不同。Java 编译器通过创建 Bridge Method 来解决这个问题,看下面代码:
class A {
Object f() {
return null;
}
}
class C extends A {
Integer f() {
return null;
}
}
然后用 javap 查看编译结果:
$ javac Override.java
$ javap -v C.class
class C extends A

{
java.lang.Integer f();
descriptor: ()Ljava/lang/Integer;
flags:
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aconst_null
1: areturn

java.lang.Object f();
descriptor: ()Ljava/lang/Object;
flags: ACC_BRIDGE, ACC_SYNTHETIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokevirtual #2 // Method f:()Ljava/lang/Integer;
4: areturn
LineNumberTable:
line 7: 0
}
可以看到编译器替我们创建了一个 Object f() 的 Bridge Method,它调用的是 Integer f(),这样就构成了 JVM 所定义的重写。
思维导图

参考文档

极客时间 – 深入拆解 Java 虚拟机 – 04 | JVM 是如何执行方法调用的?(上)
JVM Spec – 4.3.2. Field Descriptors
JVM Spec – 4.3.3. Method Descriptors
Java Language Spec – 8.4.8. Inheritance, Overriding, and Hiding
Java Language Spec – 8.4.9. Overloading
JVM Spec – 5.4.5. Overriding
Effects of Type Erasure and Bridge Methods

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