面试题：Java多态中继承与方法重写的深度剖析及字节码层面理解

Question

从Java字节码层面详细分析继承与方法重写在多态实现过程中的原理。比如，JVM是如何确定调用哪个重写版本的方法。假设存在一个复杂的类继承体系，其中包含多层继承和多个方法重写，描述在运行时方法调用的动态绑定过程以及涉及到的字节码指令和数据结构。同时，分析在这种情况下可能出现的性能问题及优化策略。

Answer 1

继承与方法重写在多态实现过程中的原理

1. Java字节码层面基础：在Java中，类和方法的信息存储在字节码文件中。字节码指令用于操作虚拟机栈、操作数栈等数据结构来实现程序逻辑。对于方法调用，主要涉及 invokevirtual、invokeinterface、invokespecial 和 invokestatic 等指令。

2. 继承与方法重写：当一个子类继承父类并重写了父类的方法时，子类在字节码层面会有自己的方法表（vtable）。方法表中包含了类及其父类中所有可被子类重写的实例方法的入口地址。在编译时，编译器会根据对象声明的类型确定要调用的方法签名，但实际调用的方法版本在运行时根据对象的实际类型确定。

3. JVM确定调用哪个重写版本的方法：JVM在执行 invokevirtual 指令时，会首先获取对象的实际类型（通过对象头中的信息）。然后根据对象的实际类型在对应的方法表中查找要调用的方法。如果在当前类的方法表中找不到，就会沿着继承链向上查找，直到找到匹配的方法版本。例如，假设有类 A、B extends A、C extends B，C 重写了 A 和 B 中的某个方法 m。当 C 的实例调用 m 方法时，JVM 会根据 C 实例对象头获取其实际类型 C，然后在 C 的方法表中找到 m 方法的入口地址并执行。

运行时方法调用的动态绑定过程

1. 多层继承和多个方法重写场景：假设有类 Base，Sub1 extends Base，Sub2 extends Sub1，每个类都有方法 method，Sub1 和 Sub2 重写了 Base 的 method。当 Sub2 的实例调用 method 时：

   • 首先，字节码中会使用 invokevirtual 指令来调用 method。
   • 执行 invokevirtual 指令时，JVM获取对象的实际类型 Sub2。
   • 接着在 Sub2 的方法表中查找 method 方法的入口地址。如果找到，就直接调用该方法；如果没找到，就向上查找 Sub1 的方法表，依此类推，直到找到方法或到达继承链顶端（Object 类）。

2. 涉及到的字节码指令和数据结构：

   • 字节码指令：invokevirtual 用于调用实例方法，它会动态绑定方法。invokespecial 用于调用构造方法、私有方法和父类方法，不会动态绑定。invokeinterface 用于调用接口方法，也涉及动态绑定。
   • 数据结构：对象头包含对象的元数据信息，如对象的实际类型。方法表（vtable）存储类及其父类中可重写的实例方法的入口地址，每个类都有自己的方法表。

性能问题及优化策略

1. 性能问题：

   • 动态绑定开销：动态绑定过程需要在运行时查找方法表，这会带来一定的性能开销，特别是在多层继承和大量方法重写的情况下。
   • 方法表空间占用：每个类都有自己的方法表，会占用一定的内存空间，尤其是在复杂的继承体系中。

2. 优化策略：

   • 使用 final 方法：如果某个方法不希望被子类重写，可以将其声明为 final。这样JVM在编译时就能确定调用的方法版本，避免了运行时的动态绑定开销。
   • 内联优化：现代JVM会对频繁调用的方法进行内联优化，即将方法调用替换为方法体的实际代码，减少方法调用的开销。对于 final 方法或私有方法，内联优化更容易实现。
   • 减少不必要的继承层次：简化继承体系，避免过深的继承层次和过多的方法重写，从而减少方法表查找的开销和方法表占用的内存空间。