浅谈多态机制的意义及实现

在面向对象编程(Object-Oriented Programming, OOP)中,多态机制无疑是其最具特色的功能,甚至可以说,不运用多态的编程不能称之为OOP。这也是为什么有人说,使用面向对象语言的编程和面向对象的编程是两码事。

多态并没有一个严格的定义,维基百科上给它下的定义比较宽松:

Subtype polymorphism, almost universally called just polymorphism in the context of object-oriented programming, is the ability of one type, A, to appear as and be used like another type, B.

一、子类型和子类

这里我想先提一下子类型(Subtype)这个词和子类(Subclass)的区别,简单地说,只要是A类运用了extends关键字实现了对B类的继承,那么我们就可以说Class A是Class B的子类,子类是一个语法层面上的词,只要满足继承的语法,就存在子类关系。

子类型比子类有更严格的要求,它不仅要求有继承的语法,同时要求如果存在子类对父类方法的改写(override),那么改写的内容必须符合父类原本的语义,其被调用后的作用应该和父类实现的效果方向一致。

对二者的对比是想强调一点:只有保证子类都是子类型,多态才有意义。

二、多态的机制

本质上多态分两种:

1、编译时多态(又称静态多态)

2、运行时多态(又称动态多态)

重载(overload)就是编译时多态的一个例子,编译时多态在编译时就已经确定,运行时运行的时候调用的是确定的方法。

我们通常所说的多态指的都是运行时多态,也就是编译时不确定究竟调用哪个具体方法,一直延迟到运行时才能确定。这也是为什么有时候多态方法又被称为延迟方法的原因。

在维基百科中多态的行为被描述为:

The primary usage of polymorphism in industry (object-oriented programming theory) is the ability of objects belonging to different types to respond to method, field, or property calls of the same name, each one according to an appropriate type-specific behavior.

下面简要介绍一下运行时多态(以下简称多态)的机制。

多态通常有两种实现方法:

1、子类继承父类(extends)

2、类实现接口(implements)

无论是哪种方法,其核心之处就在于对父类方法的改写或对接口方法的实现,以取得在运行时不同的执行效果。

要使用多态,在声明对象时就应该遵循一条法则:声明的总是父类类型或接口类型,创建的是实际类型。举例来说,假设我们要创建一个ArrayList对象,声明就应该采用这样的语句:

List list = new ArrayList();

而不是

ArrayList list = new ArrayList();

在定义方法参数时也通常总是应该优先使用父类类型或接口类型,例如某方法应该写成:

public void doSomething(List list);

而不是

public void doSomething(ArrayList list);

这样声明最大的好处在于结构的灵活性:假如某一天我认为ArrayList的特性无法满足我的要求,我希望能够用LinkedList来代替它,那么只需要在对象创建的地方把new ArrayList()改为new LinkedList即可,其它代码一概不用改动。

The programmer (and the program) does not have to know the exact type of the object in advance, and so the exact behavior is determined at run-time (this is called late binding or dynamic binding).

虚拟机会在执行程序时动态调用实际类的方法,它会通过一种名为动态绑定(又称延迟绑定)的机制自动实现,这个过程对程序员来说是透明的。

三、多态的用途

多态最大的用途我认为在于对设计和架构的复用,更进一步来说,《设计模式》中提倡的针对接口编程而不是针对实现编程就是充分利用多态的典型例子。定义功能和组件时定义接口,实现可以留到之后的流程中。同时一个接口可以有多个实现,甚至于完全可以在一个设计中同时使用一个接口的多种实现(例如针对ArrayList和LinkedList不同的特性决定究竟采用哪种实现)。

四、多态的实现

下面从虚拟机运行时的角度来简要介绍多态的实现原理,这里以Java虚拟机(Java Virtual Machine, JVM)规范的实现为例。

在JVM执行Java字节码时,类型信息被存放在方法区中,通常为了优化对象调用方法的速度,方法区的类型信息中增加一个指针,该指针指向一张记录该类方法入口的表(称为方法表),表中的每一项都是指向相应方法的指针。

方法表的构造如下:

由于Java的单继承机制,一个类只能继承一个父类,而所有的类又都继承自Object类。方法表中最先存放的是Object类的方法,接下来是该类的父类的方法,最后是该类本身的方法。这里关键的地方在于,如果子类改写了父类的方法,那么子类和父类的那些同名方法共享一个方法表项,都被认作是父类的方法。

注意这里只有非私有的实例方法才会出现,并且静态方法也不会出现在这里,原因很容易理解:静态方法跟对象无关,可以将方法地址直接引用,而不像实例方法需要间接引用。

更深入地讲,静态方法是由虚拟机指令invokestatic调用的,私有方法和构造函数则是由invokespecial指令调用,只有被invokevirtual和invokeinterface指令调用的方法才会在方法表中出现。

由于以上方法的排列特性(Object——父类——子类),使得方法表的偏移量总是固定的。例如,对于任何类来说,其方法表中equals方法的偏移量总是一个定值,所有继承某父类的子类的方法表中,其父类所定义的方法的偏移量也总是一个定值。

前面说过,方法表中的表项都是指向该类对应方法的指针,这里就开始了多态的实现:

假设Class A是Class B的子类,并且A改写了B的方法method(),那么在B的方法表中,method方法的指针指向的就是B的method方法入口。

而对于A来说,它的方法表中的method方法则会指向其自身的method方法而非其父类的(这在类加载器载入该类时已经保证,同时JVM会保证总是能从对象引用指向正确的类型信息)。

结合方法指针偏移量是固定的以及指针总是指向实际类的方法域,我们不难发现多态的机制就在这里:

在调用方法时,实际上必须首先完成实例方法的符号引用解析,结果是该符号引用被解析为方法表的偏移量。虚拟机通过对象引用得到方法区中类型信息的入口,查询类的方法表,当将子类对象声明为父类类型时,形式上调用的是父类方法,此时虚拟机会从实际类的方法表(虽然声明的是父类,但是实际上这里的类型信息中存放的是子类的信息)中查找该方法名对应的指针(这里用“查找”实际上是不合适的,前面提到过,方法的偏移量是固定的,所以只需根据偏移量就能获得指针),进而就能指向实际类的方法了。

我们的故事还没有结束,事实上上面的过程仅仅是利用继承实现多态的内部机制,多态的另外一种实现方式:实现接口相比而言就更加复杂,原因在于,Java的单继承保证了类的线性关系,而接口可以同时实现多个,这样光凭偏移量就很难准确获得方法的指针。所以在JVM中,多态的实例方法调用实际上有两种指令:

invokevirtual指令用于调用声明为类的方法;

invokeinterface指令用于调用声明为接口的方法。

当使用invokeinterface指令调用方法时,就不能采用固定偏移量的办法,只能老老实实挨个找了(当然实际实现并不一定如此,JVM规范并没有规定究竟如何实现这种查找,不同的JVM实现可以有不同的优化算法来提高搜索效率)。我们不难看出,在性能上,调用接口引用的方法通常总是比调用类的引用的方法要慢。这也告诉我们,在类和接口之间优先选择接口作为设计并不总是正确的,当然设计问题不在本文探讨的范围之内,但显然具体问题具体分析仍然不失为更好的选择。

浅谈多态机制的意义及实现》上有13条评论

  1. 看了你blog中的很多文章,内容很深入,而且排版细心,赞!

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    Hesey 回复:

    高端阅读体验:)

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    Silence 回复:

    确实,文章不常,可都说得比较透彻易懂;只是页面的红色感觉有点刺伤眼球,可否换其他颜色@Hesey

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  6. 想问一下博主最后讲的,接口可以实现多个,如何获取方法指针的问题。博主说的老老实实挨个找还不够具体啊、、、如果一个接口的方法被多A、B类实现,那么接口的方法表中就有指向A类方法和指向B类方法的两个指针,遍历这两个指针的时候,怎么确定当前调用的是A类方法还是B类方法呢、、、
    小白期待博主解答

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    Hesey Wang 回复:

    找的是实现类Class的方法表而不是Interface的方法表

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