Java及JVM是如何识别重载、重写方法的?

可变长参数方法的重载造成的。（官方文档建议避免重载可变长参数方法，见[1]的最后一段。

案例

void invoke(Object obj, Object... args) { ... }
void invoke(String s, Object obj, Object... args) { ... }

invoke(null, 1);    // 调用第二个invoke方法
invoke(null, 1, 2); // 调用第二个invoke方法
invoke(null, new Object[]{1}); // 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

某API定义了两个同名重载方法：

• 第一个接收一个Object，以及声明为Object…的变长参数
• 第二个则接收一个String、一个Object，以及声明为Object…的变长参数

想调用第一个方法，传参(null, 1)，即声明为Object的形式参数所对应的实际参数为null，而变长参数则对应1。 之所以不提倡可变长参数方法重载，是因为Java编译器可能无法决定应该调用哪个目标方法。 这种情况下，编译器会报错，并且提示这方法调用有二义性。然而，Java编译器直接将我的方法调用识别为调用第二个方法，这究竟是为什么呢？

Java虚拟机是怎么识别目标方法的？

重载与重写

同一类中出现多个：

• 名字相同
• 参数类型相同

的方法，则无法编译。如想在同一个类中定义名字相同方法，它们参数类型必须不同。这些方法之间的关系称为重载。

这限制可通过字节码工具绕开，编译完成后，可再向class文件中添加方法名和参数类型相同，而返回类型不同的方法。当这种包括多个方法名相同、参数类型相同，而返回类型不同的方法的类，出现在Java编译器的用户类路径上时，它是怎么确定需要调用哪个方法的呢？ 当前版本的Java编译器会直接选取第一个方法名以及参数类型匹配的方法。并且，它会根据所选取方法的返回类型来决定可不可以通过编译，以及需不需要进行值转换等。 重载的方法在编译过程中即可完成识别。具体到每一个方法调用，Java编译器会根据所传入参数的声明类型（注意与实际类型区分）来选取重载方法。选取的过程共分为三个阶段：

• 在不考虑对基本类型自动装拆箱及可变长参数情况下选取重载方法
• 如在第1个阶段没找到适配方法，那在允许自动装拆箱，但不允许可变长参数情况下选取重载方法
• 如在第2个阶段中没找到适配方法，那在允许自动装拆箱及可变长参数情况下选取重载方法

如Java编译器在同一阶段中找到多个适配方法，那它会在其中选择一个最为贴切，贴切程度关键就是形式参数类型的继承关系。

传入null时，它既可匹配第一个方法中声明为Object的形式参数，也可匹配第二个方法中声明为String的形式参数。由于String是Object的子类，因此Java编译器会认为第二个方法更贴切。 除同一个类中的方法，重载也可作用于这个类所继承而来的方法。如子类定义了与父类中非私有方法同名的方法，且这两个方法的参数类型不同，那在子类中，这两个方法同样构成重载。

若子类定义与父类中非private方法的同名方法，且这两方法参数类型相同，那这俩方法间啥关系：

• 若这俩都是static方法，那子类中的方法隐藏了父类中的方法
• 若都不是 static 的，则子类的方法重写了父类中的方法

Java的方法重写是多态的体现：允许子类在继承父类部分功能同时，拥有自己独特行为。 重写调用会根据调用者的动态类型选取实际的目标方法。

JVM的静态绑定和动态绑定

Java虚拟机识别方法的关键在于类名、方法名及方法描述符（method descriptor）。 方法描述符由方法的参数类型及返回类型构成。 同一类中，如同时出现多个名字相同且描述符相同的方法，那Java虚拟机会在类的验证阶段报错。 Java虚拟机与Java语言不同，它不限制名字与参数类型相同，但返回类型不同的方法出现在同一类，对调用这些方法的字节码，由于字节码所附带的方法描述符包含了返回类型，因此Java虚拟机能够准确识别目标方法。

JVM方法重写判定同样基于方法描述符。 如子类定义了与父类中非私有、非静态方法同名的方法，则仅当这俩方法的参数类型及返回类型一致，JVM才会判定为重写。

对Java中重写而Java虚拟机中非重写的情况，编译器会通过生成桥接方法[2]实现Java的重写语义。

由于对重载方法的区分在编译阶段已完成，可认为JVM不存在重载概念。因此，某些文章将

• 重载称为静态绑定（static binding）或编译时多态（compile-time polymorphism）
• 重写称为动态绑定（dynamic binding）

这说法在JVM语境下并非完全正确，因为某类中的重载方法可能被它的子类重写，因此JVM 会将所有对非私有实例方法的调用编译为需要动态绑定的类型。 JVM的：

• 静态绑定指在解析时便能够直接识别目标方法
• 动态绑定指要在运行过程中，根据调用者的动态类型来识别目标方法

Java字节码中与调用相关的指令有：

• invokestatic：调用静态方法
• invokespecial：调用私有实例方法、构造器及使用super关键字调用父类的实例方法或构造器，和所实现接口的默认方法
• invokevirtual：用于调用非私有实例方法
• invokeinterface：用于调用接口方法
• invokedynamic：用于调用动态方法 较为复杂

编译生成这四种调用指令的情况。

interface 客户 {
  boolean isVIP();
}

class 商户 {
  public double 折后价格(double 原价, 客户 某客户) {
    return 原价 * 0.8d;
  }
}

class 奸商 extends 商户 {
  @Override
  public double 折后价格(double 原价, 客户 某客户) {
    if (某客户.isVIP()) {                         // invokeinterface      
      return 原价 * 价格歧视();                    // invokestatic
    } else {
      return super.折后价格(原价, 某客户);          // invokespecial
    }
  }
  public static double 价格歧视() {
    // 咱们的杀熟算法太粗暴了，应该将客户城市作为随机数生成器的种子。
    return new Random()                          // invokespecial
           .nextDouble()                         // invokevirtual
           + 0.8d;
  }
}

“商户”类定义了一个成员方法，叫“折后价格”，它接收一个double类型参数及一个“客户”类型参数。 这里“客户”是个接口，定义了一个接口方法“isVIP”。

“奸商”类这个方法，首先调用客户#isVIP，该调用会被编译为invokeinterface指令

• 若客户是VIP，则调用奸商类的一个名叫“价格歧视”的静态方法。该调用会被编译为invokestatic指令
• 如客户不是VIP，则通过super调用父类的“折后价格”方法。该调用会被编译为invokespecial指令

在静态方法“价格歧视”会调用Random类的构造器。该调用会被编译为invokespecial指令。然后以这个新建Random对象为调用者，调用Random类中的nextDouble方法。该调用会被编译为invokevirutal指令。

对于invokestatic以及invokespecial而言，Java虚拟机能够直接识别具体的目标方法。

而对于invokevirtual以及invokeinterface而言，在绝大部分情况下，虚拟机需要在执行过程中，根据调用者的动态类型，来确定具体的目标方法。

如虚拟机能确定目标方法有且仅有一个，比如说目标方法被标记为final[3][4]，它可不通过动态类型，直接确定目标方法。

调用指令的符号引用

编译过程中，我们并不知目标方法的具体内存地址。因此，Java编译器会暂时用符号引表示该目标方法。 这符号引用包括目标方法所在的类或接口的名字，以及目标方法的方法名和方法描述符。

符号引用存储在class文件的常量池。根据目标方法是否为接口方法，这些引用可分为：

• 接口符号引用
• 非接口符号引用

// 在奸商.class的常量池中，#16为接口符号引用，指向接口方法"客户.isVIP()"。#22为非接口符号引用，指向静态方法"奸商.价格歧视()"。
$ javap -v 奸商.class ...
Constant pool:
...
  #16 = InterfaceMethodref #27.#29        // 客户.isVIP:()Z
...
  #22 = Methodref          #1.#33         // 奸商.价格歧视:()D
...

执行使用了符号引用的字节码前，JVM需解析这些【符号引用】并替换为【实际引用】。

对【非接口符号引用】，假定该【符号引用】所指向的类为C，则JVM按如下步骤查找：

• 在C中查找符合名字及描述符的方法
• 若没找到，搜索C的父类，直至Object类
• 若还没找到，在C所直接实现或间接实现的接口中搜索，该步搜索得到的目标方法必须是非private、非static且若目标方法在间接实现的接口中，则需满足C与该接口间无其他符合条件的目标方法。若有多个符合条件的目标方法，则返回其中任一。

所以static方法也可通过子类来调用。子类的static方法会隐藏（这不是重写）父类中的同名、同描述符的静态方法。

对于接口符号引用，假定该符号引用所指向的接口为I，则Java虚拟机会按照如下步骤进行查找。

1. 在I中查找符合名字及描述符的方法。
2. 如果没有找到，在Object类中的公有实例方法中搜索。
3. 如果没有找到，则在I的超接口中搜索。这一步的搜索结果的要求与非接口符号引用步骤3的要求一致。

经过上述解析步骤后，符号引用会被解析成实际引用：

• 对可静态绑定的方法调用，实际引用是个指向方法的指针
• 对需动态绑定的方法调用，实际引用则是个方法表的索引

总结与实践

本文介绍了Java以及Java虚拟机是如何识别目标方法的。

在Java方法的：

• 重载，方法名相同而参数类型不相同的方法间
• 重写，方法名相同&参数类型也相同的方法间

JVM识别方法的方式除了方法名和参数类型，还有返回类型。

JVM的：

• 静态绑定：在解析时便能够直接识别目标方法的情况
• 动态绑定，需在运行过程中根据调用者的动态类型来识别目标方法的情况。由于Java编译器已区分重载方法，因此可认为JVM不存在重载

在class文件中，Java编译器会用符号引用指代目标方法。在执行调用指令前，它所附带的符号引用需要被解析成实际引用。对于可以静态绑定的方法调用而言，实际引用为目标方法的指针。对于需要动态绑定的方法调用而言，实际引用为辅助动态绑定的信息。

Java的重写与Java虚拟机中的重写并不一致，但编译器会通过生成桥接方法来弥补。

参考

• [1] https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/language/varargs.html
• [2] https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/generics/bridgeMethods.html
• [3] https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/VirtualCalls
• [4] https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/InterfaceCalls