2025-02-10

既然多態是面向對象的三大本質特征之一(其它兩個是數據抽象和繼承),那麼C++為什麼不將方法調用的默認方式設置為動態綁定,而要通過關鍵字virtual進行標記呢?Bruce Eckel在《Thinking in C++》中提到,這是由於歷史原因造成的,C++是從C發展而來的,而C程序員最為關心的是性能問題,由於動態綁定比靜態綁定多幾條指令,性能有所下降,如果將動態綁定設定為默認方法調用方式,那麼很多C程序員可能不會接受,因此,C++就將動態綁定定位成可選的,並且作出保證:If you don't use it, you don't pay for it(Stroustrup)。
    但是,Java作為一個全新的完全面向對象的語言,並不存在向下兼容的問題,同時,Java的設計者也認為多態作為面向面向對象的核心,面向對象語言應該提供內置的支持,因此,Java將動態綁定作為方法調用的默認方式。
    下面,我們就詳細地來瞭解一下Java是如何為多態提供支持的。 與C++一樣,Java中也有一個存放實例方法地址的數據結構,在C++中,我們把它叫做VTable,而在java中方法表(Method Table),但是兩者有很多相同之處:
     1、它們的作用是相同的,同樣用來輔助實現方法的動態綁定。
     2、同樣是類級別的數據結構,一個類的所有對象共享一個方法表。
     3、都是通過偏移量在該數據結構中查找某一個方法。
     4、同樣保證所有派生類中繼承於基類的方法在方法表中的偏移量跟該方法在基類方法表中的偏移量保持一致。
     5、方法表中都隻能存放多態方法(Java中的實例方法,C++中是vitual方法)。
     但是歸根結底,C++是一門編譯型的語言,而Java更加偏向於解析型的,因此上述數據結構的生成和維護是有所不同的,表現在:
     1、C++中VTable和vptr是在編譯階段由編譯器自動生成的,也就是說,在C++程序載入內存以前,在.obj(.o)文件中已經有這些結構的信息;Java中的方法表是由JVM生成的,因此,使用javac命令編譯後生成的.class文件中並沒有方法表的信息。隻有等JVM把.class文件載入到內存中時,才會為該.class文件動態生成一個與之關聯的方法表,放置在JVM的方法區中。
    2、C++中某個方法在VTable的索引號是在編譯階段已經明確知道的,並不需要在運行過程中動態獲知;Java中的方法初始時都隻是一個符號,並不是一個明確的地址,隻有等到該方法被第一次調用時,才會被解析成一個方法表中的偏移量,也就是說,隻有在這個時候,實例方法才明確知道自己在方發表中的偏移量瞭,在這之前必須經歷一個解析的過程。
    此外,Java中不支持多重繼承,也就不會像C++那樣在這個泥潭中糾纏不清瞭,但Java也引入瞭新的概念,那就是接口,Interface。使用Interface調用一個實例方法跟使用一個Class來調用的過程是不一樣的:
public class  Zoo
{
 public static void main(String[] args)
 {
   Pet p1 = new Dog();
   Pet p2 = new Dog();
   p1.say(); //首先解析一次,得到偏移量,調用方法
   p2.say(); //不用解析,直接使用上次的得到的偏移量,調用

  Cute c1 = new Dog(); 
  Cute c2 = new Dog();
  c1.cute();  //這裡使用接口來調用實例方法,首先同樣會解析一次,得到偏移量,調用相應方法
  c2.cute(); //這裡雖然上次已經解析過瞭,但是還是得重新跟上次一樣重新解析一次,得到偏移量,調用
 }
}
interface Cute
{
 public void cute();
}
class Pet
{
  public void say(){ System.out.println("Pet say");  }
}
class Dog extends Pet implements Cute
{
     public void cute(){ System.out.println("Dog cute"); }
     public void say(){ System.out.println("Dog say");  }
}
    為什麼會有這樣的區別呢?這是因為實現同一個接口的類並不能保證都是從同一個超類繼承的,而且這個超類也同樣實現相同的接口。因此,該接口聲明的方法並不能都保證處於方法表中的同一個位置上。如,可以定義下面的類:
class Cat  implements Cute
{
     public void cute(){ System.out.println("Cat cute"); }
}
    那麼,Dog跟Cat同樣都實現瞭接口Cute,因此都能夠用Cute接口進行調用,但是方法cute在Dog方法表中的位置並不能保證該方法在Cat方法表中的位置是一樣的。因此,對於接口調用方法,我們隻好每次都重新解析一道,獲得準確的偏移量,再進行調用瞭。這也導致瞭使用接口調用方法的效率要比使用類調用實例方法低。當然,這僅僅是相對而言,JVM在實現上會予以優化,我們不能說因為接口效率低就不使用瞭,相反由於在面向對象作用中接口的強大作用,java是提倡使用接口的,這一點我們是需要註意的。
    還有一點,雖然java不支持類的多重繼承,但是是可以實現多個接口的,那麼,在Java中會不會要像C++的多重繼承那樣進行必要的轉換呢?這個問題,我們隻需想一下兩者調用的具體過程,就能知道,Java的接口方法每次調用前都是需要解析的,在這裡才會取得真正的偏移量,這跟C++中編譯期間取得偏移量是不一樣,因此,在Java中是不需要進行所謂的轉換的。

作者“guiven”
 

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