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：

1. 不允许自动拆装箱，不允许可变长参数，尝试匹配
2. 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
3. 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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