Java基礎之面向對象機制（多態(tài)、繼承）底層實(shí)現

目錄

一、Java的前世

為什么會(huì )產(chǎn)生Java？Java的特點(diǎn)是什么？

從C語(yǔ)言開(kāi)始講，C語(yǔ)言是一種結構化語(yǔ)言，模塊化編程，便于程序的調試，依靠非常全面的運算符和多樣的數據類(lèi)型，可以輕易完成各種數據結構的構建，通過(guò)指針類(lèi)型更可對內存直接尋址以及對硬件進(jìn)行直接操作，因此既能夠用于開(kāi)發(fā)系統程序，也可用于開(kāi)發(fā)應用軟件。其缺點(diǎn)就是封裝性弱，程序的安全性上不是很好。C語(yǔ)言的異常處理一般使用setjmp()與longjmp()，在捕獲到異常時(shí)進(jìn)行跳轉；或者使用abort()和exit()兩個(gè)函數，強行終止程序的運行。如果要實(shí)現多線(xiàn)程，應該要直接操作底層操作系統，語(yǔ)言本身沒(méi)有封裝該機制。

C語(yǔ)言是一門(mén)面向過(guò)程的語(yǔ)言，所謂面向過(guò)程指的是以“事件過(guò)程”為中心的編程思想，即按照事件的解決步驟，在函數中一步一步實(shí)現。其實(shí)，生活中大部分事情都可以用面向過(guò)程的思想來(lái)解決。然而，當問(wèn)題的規模變大，且問(wèn)題中有多個(gè)部分是共同的特征時(shí)，我們仍然需要對這件事情建立一步一步操作，此時(shí)面向過(guò)程就顯得繁重冗余，因此產(chǎn)生了面向對象的思想。

面向對象的思想是將事件中的一些共同特征抽象出來(lái)作為一個(gè)對象，一個(gè)對象包括屬性和方法，比如說(shuō)一個(gè)班級中的同學(xué)，大家都擁有姓名、成績(jì)、年齡、興趣愛(ài)好，在操作這些數據的時(shí)候，我們只需要將共同的部分抽象出來(lái)，然后給每個(gè)同學(xué)一個(gè)對象的實(shí)例。如果是面向過(guò)程的方法，我們需要為每一個(gè)同學(xué)定義屬性變量，執行某個(gè)動(dòng)作需要定義獨立的方法。因此，產(chǎn)生了C++語(yǔ)言。

C++繼承自C語(yǔ)言，可以進(jìn)行面向過(guò)程的程序設計，也可以抽象化出對象進(jìn)行基于對象的程序設計，也可以進(jìn)行繼承、多態(tài)為特點(diǎn)的面向對象的程序設計。在C++的面向對象設計中，將數據和相關(guān)操作封裝在一個(gè)類(lèi)中，類(lèi)的實(shí)例為一個(gè)對象。支持面向對象開(kāi)發(fā)的四個(gè)特性：封裝、抽象、繼承、多態(tài)。在C++語(yǔ)言中，內存分為堆（程序運行時(shí)分配內存）和棧（函數內部聲明的變量）兩部分，往往需要手動(dòng)管理內存，通過(guò)new,delete動(dòng)態(tài)劃分內存并進(jìn)行內存的回收；類(lèi)中包含構造函數和析構函數，分別為建立對象和刪除對象釋放資源。

Java也是一門(mén)面向對象的語(yǔ)言，不僅吸收了C++的各種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)摒棄了C++種難以理解的多繼承、指針等概念，功能更加強大且簡(jiǎn)單易上手。其特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、OOP、平臺無(wú)關(guān)性（JVM的功勞）；相比于面向對象的語(yǔ)言C++而言，Java JVM的動(dòng)態(tài)內存管理非常優(yōu)秀。在發(fā)展的過(guò)程中，逐漸更新了更多強大的功能：XML支持、安全套接字soket支持、全新的I/O API、正則表達式、日志與斷言；泛型、基本類(lèi)型的自動(dòng)裝箱、改進(jìn)的循環(huán)、枚舉類(lèi)型、格式化I/O及可變參數。

在C語(yǔ)言、C++、Java的演化過(guò)程中，并不會(huì )導致新語(yǔ)言取代舊語(yǔ)言，每種語(yǔ)言按照自身的特點(diǎn)有了自己適合的領(lǐng)域。如追求程序的性能和執行效率，如系統底層開(kāi)發(fā)，就需要使用C++，甚至C語(yǔ)言；安卓開(kāi)發(fā)、網(wǎng)站、嵌入式、大數據技術(shù)等領(lǐng)域，一般使用Java語(yǔ)言，由于其安全性、便攜性、可移植性、可維護性等，很容易實(shí)現多線(xiàn)程，代碼的可讀性高。

C語(yǔ)言和C++是編譯型的語(yǔ)言，而Java是解釋型的語(yǔ)言：

• 編譯型語(yǔ)言：程序在執行之前需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的編譯過(guò)程，把程序編譯成為機器語(yǔ)言的文件。

程序執行效率高，依賴(lài)編譯器，跨平臺性差

• 解釋型語(yǔ)言：程序不需要編譯，程序運行時(shí)才翻譯成機器語(yǔ)言，每執行一次都要翻譯一次。

效率比較低，依賴(lài)解釋器，跨平臺性好

Java是靜態(tài)-強類(lèi)型語(yǔ)言。

二、多態(tài)

多態(tài)是同一個(gè)行為具有多個(gè)不同表現形式或形態(tài)的能力。多態(tài)就是同一個(gè)接口，使用不同的實(shí)例而執行不同操作。

一般實(shí)現形式：

• 重載@Overload：同一類(lèi)種方法名相同，參數不同；返回類(lèi)型不要求
• 重寫(xiě)@Override：子類(lèi)繼承自父類(lèi)的方法重寫(xiě)實(shí)現過(guò)程，返回值、形參不能變、只能重寫(xiě)函數體內的語(yǔ)句，便于子類(lèi)根據自身需要定義自己的行為。Animal b = new Dog();
• 接口
• 抽象類(lèi)、抽象方法

重寫(xiě)規則：

final，static方法不可被重寫(xiě)

參數列表：與被重寫(xiě)方法的參數列表必須完全相同

返回類(lèi)型：與被重寫(xiě)方法的返回類(lèi)型可以不相同，但是必須是父類(lèi)返回值的派生類(lèi)

訪(fǎng)問(wèn)權限：不能比父類(lèi)中被重寫(xiě)的方法的訪(fǎng)問(wèn)權限更低（public > protected > private > ）

拋異常：如果父類(lèi)方法拋異常，子類(lèi)不能拋更廣泛的異常

同包：除了private final可以重寫(xiě)所有父類(lèi)方法

不同包：只能重寫(xiě)public 或者 protected的非final方法

子類(lèi)中調用父類(lèi)被重寫(xiě)方法可以用super.method()

三、Java中多態(tài)的底層實(shí)現

多態(tài)性特征的最基本體現有“重載”和“重寫(xiě)”，其實(shí)這兩個(gè)體現在Java虛擬機中時(shí)分派的作用。分派又分為靜態(tài)分派和動(dòng)態(tài)分派，靜態(tài)分派是指所有依賴(lài)靜態(tài)類(lèi)型來(lái)定位方法執行版本的分派動(dòng)作，動(dòng)態(tài)分派是指在運行期根據實(shí)際類(lèi)型確定方法執行版本的分派過(guò)程。

 Animal animal = new Bird();

在上面代碼中Animal是父類(lèi)，Bird是繼承Animal的子類(lèi)；那么在定義animal對象時(shí)前面的“Animal”稱(chēng)為變量的靜態(tài)類(lèi)型（Static Type），或者叫外觀(guān)類(lèi)型（Apparent Type），后面的“Bird”則稱(chēng)為變量的實(shí)際類(lèi)型（Actual Type），靜態(tài)類(lèi)型和實(shí)際類(lèi)型在程序中都可以發(fā)生一些變化，區別是靜態(tài)類(lèi)型的變化僅僅在使用時(shí)發(fā)生，變量本身的靜態(tài)類(lèi)型不會(huì )被改變，并且最終的靜態(tài)類(lèi)型是在編譯器可知的；而實(shí)際類(lèi)型變化的結果在運行期才可以確定，編譯器在編譯程序的時(shí)候并不知道一個(gè)對象的實(shí)際對象是什么。

//實(shí)際類(lèi)型變化
Animal bird = new Bird();
Animal eagle = new Eagle();
//靜態(tài)類(lèi)型變化
sd.sayHello((Bird)bird);
sd.sayHello((Eagle)eagle);

animal對象的靜態(tài)類(lèi)型是Animal，實(shí)際類(lèi)型是Bird。靜態(tài)類(lèi)型在編譯期可知，實(shí)際類(lèi)型在運行時(shí)可知。

四、重載

同一個(gè)類(lèi)中相同方法名的不同方法。

重載，使用哪個(gè)重載版本，就完全取決于傳入參數的數量和數據類(lèi)型。
方法重載是通過(guò)靜態(tài)分派實(shí)現的，靜態(tài)分派是發(fā)生在編譯階段，因此匹配到靜態(tài)類(lèi)型Animal。

例如下面代碼：

package test;
 
/**
* @Description: 方法靜態(tài)分派演示
* @version: v1.0.0
 */
public class StaticDispatch {
    
	static abstract class Animal{ }
	
	static class Bird extends Animal{ }
	
	static class Eagle extends Animal{ }
	
	public void sayHello(Animal animal) {
		System.out.println("hello,animal");
	}
	
	public void sayHello(Bird bird) {
		System.out.println("hello,I'm bird");
	}
	
	public void sayHello(Eagle eagle) {
		System.out.println("hello,I'm eagle");
	}
	
	public static void main(String[] args){
	    Animal bird = new Bird(); // 靜態(tài)類(lèi)型Animal（編譯期可知）--實(shí)際類(lèi)型Bird（運行期可知）
	    Animal eagle = new Eagle(); // 靜態(tài)類(lèi)型Animal（編譯期可知）--實(shí)際類(lèi)型Eagle（運行期可知）
	    StaticDispatch sd = new StaticDispatch();
	    sd.sayHello(bird);
	    sd.sayHello(eagle);
	}
}
/* 結果：
hello,animal
hello,animal
*/

代碼中刻意地定義了兩個(gè)靜態(tài)類(lèi)型相同Animal，實(shí)際類(lèi)型不同的變量，但虛擬機(準確的是編譯器)在重載時(shí)是通過(guò)參數的靜態(tài)類(lèi)型而不是實(shí)際類(lèi)型來(lái)作為判斷依據的。并且靜態(tài)類(lèi)型是編譯期可知的，因此，在編譯階段，Javac編譯器會(huì )根據參數的靜態(tài)類(lèi)型決定使用哪個(gè)重載版本，因此選擇了sayHello(Animal)作為調用目標。

方法重載是通過(guò)靜態(tài)分派實(shí)現的，并且靜態(tài)分派是發(fā)生在編譯階段，所以確定靜態(tài)分派的動(dòng)作實(shí)際上不是由虛擬機來(lái)執行的；另外，編譯器雖然能確定出方法重載的版本，但在很多情況下這個(gè)版本并不是“唯一的”,往往只能確定一個(gè)“更加適合”的版本。

五、重寫(xiě)

方法的重寫(xiě)：與虛擬機中動(dòng)態(tài)分派的過(guò)程有著(zhù)密切聯(lián)系。

package test;
 
/**
* @Description: 方法動(dòng)態(tài)分派演示
* @version: v1.0.0
 */
public class DynamicDispatch {
    
	static abstract class Animal{
		protected abstract void sayHello();
	}
	
	static class Bird extends Animal{
 
		@Override
		protected void sayHello() {
			System.out.println("Bird say hello");
		}
		
	}
	
	static class Eagle extends Animal{
		@Override
		protected void sayHello() {
			System.out.println("Eagle say hello");
		}
		
	}
	
	public static void main(String[] args){
	    Animal bird = new Bird();
	    Animal eagle = new Eagle();
	    bird.sayHello();
	    eagle.sayHello();
	    bird = new Eagle();
	    bird.sayHello();
	}
}

/* 結果：
Bird say hello
Eagle say hello
Eagle say hello
*/

通過(guò)javap反編譯命令來(lái)看一段該代碼的字節碼：

>javap -c DynamicDispatch.class
Compiled from "DynamicDispatch.java"
public class com.carmall.DynamicDispatch {
  public com.carmall.DynamicDispatch();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class com/carmall/DynamicDispatch$Bird

       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method com/carmall/DynamicDispatch$Bir
d."<init>":()V
       7: astore_1
       8: new           #4                  // class com/carmall/DynamicDispatch$Eagl
e
      11: dup
      12: invokespecial #5                  // Method com/carmall/DynamicDispatch$Eag
le."<init>":()V
      15: astore_2
      16: aload_1
      17: invokevirtual #6                  // Method com/carmall/DynamicDispatch$Ani
mal.sayHello:()V
      20: aload_2
      21: invokevirtual #6                  // Method com/carmall/DynamicDispatch$Animal.sayHello:()V
      24: new           #4                  // class com/carmall/DynamicDispatch$Eagle
      27: dup
      28: invokespecial #5                  // Method com/carmall/DynamicDispatch$Eagle."<init>":()V
      31: astore_1
      32: aload_1
      33: invokevirtual #6                  // Method com/carmall/DynamicDispatch$Animal.sayHello:()V
      36: return
}

上面的指令，invokevirtual表示運行時(shí)按照對象的類(lèi)來(lái)調用實(shí)例方法；invokespecial根據編譯時(shí)類(lèi)型來(lái)調用實(shí)例方法，也就是會(huì )調用父類(lèi)。

0~15行的字節碼是準備動(dòng)作，作用時(shí)建立bird和eagle的內存空間、調用Bird和Eagle類(lèi)型的實(shí)例構造器，將這兩個(gè)實(shí)例的引用存放在第1、2個(gè)局部變量表Slot之中。

接下來(lái)的16~21行時(shí)關(guān)鍵部分；這部分把剛剛創(chuàng )建的兩個(gè)對象的引用壓到棧頂，這兩個(gè)對象是將要執行的sayHello()方法的所有者，稱(chēng)為接收者(Receiver)；17和21句是方法調用命令，這兩條調用命令單從字節碼角度來(lái)看，無(wú)論是指令(invokevirtual)還是參數(都是常量池中第6項的常量，注釋顯示了這個(gè)常量是sayHello方法的符號引用)完全一樣的，但是這兩句執行的目標方法并不同，這是因為invokevirtual指令的多態(tài)查找過(guò)程引起的，該指令運行時(shí)的解析過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟：

• 找到操作數棧第一個(gè)元素所指向的對象的實(shí)際類(lèi)型，記為C。如果在類(lèi)型C中找到了與常量中描述符和簡(jiǎn)單名稱(chēng)都一樣的方法，則進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)權限校驗，如果通過(guò)則返回該方法的的直接引用，查找過(guò)程結束；如果不通過(guò)，則返回java.lang.IllegalAccessError異常。
• 否則，按照繼承關(guān)系從下往上一次對C的各個(gè)父類(lèi)進(jìn)行第二步的搜索和驗證過(guò)程。
• 如果始終都沒(méi)有找到合適的方法，則拋出java.lang.AbstractMethodError異常。
• 由于invokevirtual指令執行的第一步就是在運行期確定接收者的實(shí)際類(lèi)型，所以?xún)纱握{用的invokevirtual指令把常量池中的類(lèi)方法符號引用解析到了不同的直接引用上，這個(gè)過(guò)程就是Java語(yǔ)言中重寫(xiě)的本質(zhì)。

package java.lang;

import java.lang.annotation.*;

/**
 * Indicates that a method declaration is intended to override a
 * method declaration in a supertype. If a method is annotated with
 * this annotation type compilers are required to generate an error
 * message unless at least one of the following conditions hold:
 *
 * <ul><li>
 * The method does override or implement a method declared in a
 * supertype.
 * </li><li>
 * The method has a signature that is override-equivalent to that of
 * any public method declared in {@linkplain Object}.
 * </li></ul>
 *
 * @author  Peter von der Ah&eacute;
 * @author  Joshua Bloch
 * @jls 9.6.1.4 @Override
 * @since 1.5
 */
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
public @interface Override {
}

到此這篇關(guān)于Java基礎之面向對象機制（多態(tài)、繼承）底層實(shí)現的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java面向對象機制底層實(shí)現內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！