面试题：Java多态在JVM内存模型中的体现

Question

结合JVM的内存模型，阐述Java多态在运行时，对象的内存布局、方法表等是如何协同工作以实现多态特性的。

Answer 1

Java多态运行时对象内存布局、方法表协同工作原理

1. JVM内存模型相关区域
   • 堆（Heap）：对象实例都在堆中分配内存。在Java多态场景下，不同类型的对象（父类引用指向子类实例）都存储于堆中。例如，Animal animal = new Dog();，Dog对象在堆中创建，它包含了Dog类自身以及从Animal类继承的成员变量。
   • 方法区（Method Area）：存储类的元数据，包括类的结构信息（如字段、方法等）、常量池等。对于多态涉及的类，其类信息都在方法区，比如Animal类和Dog类的元数据。其中，方法区中还包含了方法表，方法表用于快速定位方法。
2. 对象内存布局
   • 对象头：包含两部分，一部分是Mark Word，用于存储对象的运行时元数据，如哈希码、对象分代年龄、锁状态标志等信息；另一部分是类型指针，指向方法区中该对象所属类的元数据，通过这个指针可以找到类的方法表等信息。在多态中，不同子类对象的对象头中的类型指针指向各自对应的类元数据。例如，Dog对象的类型指针指向Dog类在方法区的元数据。
   • 实例数据：存储对象的成员变量，包括从父类继承来的和子类自己定义的。例如Dog对象的实例数据包含从Animal类继承的name等变量，以及Dog类自己可能定义的barkVolume等变量。
   • 对齐填充：不是必须的，由于JVM要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。
3. 方法表
   • 方法表结构：方法表是类在方法区的元数据的一部分，它是一个数组，每个元素是一个指向方法在方法区内存位置的指针。在多态中，子类的方法表会包含从父类继承的方法以及子类重写或新增的方法。例如，Dog类的方法表中，对于重写的makeSound方法，其指针指向Dog类中重写后的makeSound方法的实现；对于从Animal类继承且未重写的方法，指针指向Animal类中该方法的实现。
   • 方法表的构建：在类加载的链接阶段，JVM会为每个类构建方法表。对于父类的方法，子类方法表中会继承，如果子类重写了该方法，方法表中对应位置的指针会更新为指向子类重写的方法。这样在运行时，通过对象的类型指针找到类的方法表，就能根据方法表中指针快速定位到实际要执行的方法。
4. 多态特性的实现
   • 编译期：Java编译器在编译时，根据引用类型（即声明的变量类型）来确定可以调用的方法。例如，Animal animal = new Dog();，编译器只知道animal是Animal类型，所以只能确定Animal类中定义的方法可以调用。但是对于重写的方法，编译器会做一些标记，以便运行时能够正确调用子类的方法。
   • 运行期：当实际执行方法调用时，JVM首先根据对象的对象头中的类型指针找到对象所属类的方法表。然后在方法表中查找要调用的方法对应的指针，找到后调用该指针指向的实际方法。例如，animal.makeSound();，运行时JVM根据Dog对象的类型指针找到Dog类的方法表，由于makeSound方法被重写，方法表中makeSound方法的指针指向Dog类重写后的makeSound方法实现，从而实现多态特性，调用的是Dog类的makeSound方法，而不是Animal类的。