嚴(yán)忠林

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Java動(dòng)態(tài)綁定的方法重載的實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)忠林

摘要：Java支持“方法重載”，但其執(zhí)行代碼是在編譯時(shí)就確定的，不能根據(jù)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際對(duì)象動(dòng)態(tài)改變，這有時(shí)會(huì)增加代碼的復(fù)雜性。通過(guò)使用JSR-292提供的功能，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)框架，讓Java擁有在運(yùn)行時(shí)綁定重載代碼的能力?？梢蕴岣叱绦虻暮?jiǎn)明性、可重用性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：方法重載；方法重寫(xiě)；動(dòng)態(tài)調(diào)用指令；方法句柄；Java類(lèi)文件處理

0　引言

作為面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，Java支持“方法重寫(xiě)（Method Overriding）”。針對(duì)同一方法簽名，父類(lèi)和各個(gè)子類(lèi)可以提供不同的實(shí)現(xiàn)代碼，運(yùn)行時(shí)將根據(jù)實(shí)際對(duì)象的不同自動(dòng)選擇。它是實(shí)現(xiàn)多態(tài)性的基礎(chǔ)，使同樣的代碼，在不同的對(duì)象上運(yùn)行，即可獲得不同的結(jié)果。通過(guò)添加新的子類(lèi)，不改變已有代碼，就能擴(kuò)展系統(tǒng)功能，大大提高了軟件開(kāi)發(fā)的效率和質(zhì)量。這是面向?qū)ο蠓椒▽?shí)現(xiàn)代碼可重用、可擴(kuò)展的基本手段。

在語(yǔ)法上，Java也支持“方法重載（Method Overloading）”。在一個(gè)類(lèi)中，可以為同一方法名但不同的參數(shù)編寫(xiě)不同的方法體，程序能依據(jù)調(diào)用時(shí)參數(shù)的類(lèi)型、數(shù)量、次序，選擇相應(yīng)的代碼執(zhí)行。從概念上可以認(rèn)為這些方法體進(jìn)行的是同一處理，但卻可根據(jù)外界提供的不同條件“隨機(jī)應(yīng)變”。這對(duì)提高程序的易讀易寫(xiě)性很有幫助。

1　方法重寫(xiě)與方法重載

方法重號(hào)方法重載兩種方式都提高了編程的方便、靈活性，但它們的執(zhí)行機(jī)制是完全不同的[1]。對(duì)于所執(zhí)行方法體的確定時(shí)機(jī)，重寫(xiě)采用的是“動(dòng)態(tài)綁定”或叫“晚捆綁”。它是直到運(yùn)行時(shí)，才依據(jù)方法棧中首個(gè)參數(shù)引用的對(duì)象，來(lái)選擇應(yīng)該執(zhí)行的代碼（在Java源代碼中無(wú)此參數(shù)，但編譯后的bytecode會(huì)將消息的接受者作為首個(gè)參數(shù)送入方法棧）。而重載則是“靜態(tài)綁定”，所執(zhí)行方法體是在編譯時(shí)根據(jù)參數(shù)類(lèi)型、數(shù)量等不同確定的，運(yùn)行時(shí)沒(méi)有選擇，直接運(yùn)行。對(duì)于方法體的選擇依據(jù)，兩者也不同。重寫(xiě)采用的是“單分派”，只根據(jù)棧幀中首個(gè)參數(shù)的不同來(lái)做選擇。而重載是“多分派”，能綜合所有參數(shù)的情況加以選擇。

兩種方式各有特點(diǎn)。重載高效，雖然要參照多個(gè)參數(shù)，但所有工作都在編譯時(shí)完成，運(yùn)行時(shí)無(wú)額外開(kāi)銷(xiāo)。但由于無(wú)法利用運(yùn)行時(shí)信息，操作完全固定，所以靈活性不夠。而重寫(xiě)正好相反，運(yùn)行時(shí)需進(jìn)行選擇，有一定性能損失。但相同的代碼，卻能依據(jù)運(yùn)行時(shí)情況，執(zhí)行不同的處理。

目前Java等語(yǔ)言對(duì)重寫(xiě)方式都選擇單分派進(jìn)行。既能提供靈活性，運(yùn)行時(shí)又只需最簡(jiǎn)單的處理（一般是通過(guò)查找存儲(chǔ)于類(lèi)中的虛方法表來(lái)獲得方法入口地址），可最大限度地保證運(yùn)行效率。綜合各方面考慮，這確實(shí)是最佳選擇。但在某些特定情況下，單分派提供的靈活性仍然不夠，有時(shí)也會(huì)增加程序的復(fù)雜性，不利于程序的擴(kuò)展。

舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，假如要處理幾何問(wèn)題，定義了采用直角坐標(biāo)表示的點(diǎn)（Class Point）和線(xiàn)（Class Line）。Line類(lèi)中用k、b字段記錄直線(xiàn)的斜率和截距，許多運(yùn)算都要使用它們。但對(duì)平行于y軸的直線(xiàn)，k、b在運(yùn)算時(shí)無(wú)意義，需要再定義一個(gè)子類(lèi)VLine，添加字段a記錄x軸的截距。它的許多處理和普通直線(xiàn)運(yùn)算不同，因此需要重寫(xiě)這些方法。

現(xiàn)在要求兩條直線(xiàn)的交點(diǎn)，針對(duì)不同類(lèi)型的直線(xiàn)有不同的計(jì)算方法，在Line和VLine兩個(gè)類(lèi)中都要分別重載實(shí)現(xiàn)它們，假如是crossPoint(Line l)和crossPoint（VLine l）?，F(xiàn)在main()中有兩個(gè)直線(xiàn)數(shù)組，用雙重循環(huán)重復(fù)執(zhí)行語(yǔ)句①，應(yīng)該能求出它們所有的交點(diǎn)，如圖1所示：

但由于重載的靜態(tài)限制，編譯時(shí)就根據(jù)聲明綁定了Line型參數(shù)的方法，而運(yùn)行時(shí)l2卻可以是VLine對(duì)象，所以語(yǔ)句①并不正確。

這類(lèi)問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方案是在代碼中添加if語(yǔ)句，對(duì)參數(shù)類(lèi)型加以判斷，再選擇執(zhí)行不同的處理。然而這已經(jīng)失去了面向?qū)ο蟮囊馊?。?duì)于這兒的簡(jiǎn)單情況，此方案當(dāng)然無(wú)傷大雅。但假如系統(tǒng)的繼承關(guān)系、要進(jìn)行的處理都比較復(fù)雜，那么繁復(fù)的if結(jié)構(gòu)將使代碼變得龐大臃腫，難讀難改，成為程序員的負(fù)擔(dān)。

更重要的是這種處理方式不具有可擴(kuò)展性。像上述的幾何系統(tǒng)，假如在完成以后，又需要引入極坐標(biāo)表示法和相應(yīng)處理。這時(shí)僅僅添加新的點(diǎn)、線(xiàn)子類(lèi)是不夠的，仍然不得不打開(kāi)所有已完成的源代碼，在眾多類(lèi)中，毫無(wú)遺漏地找出相關(guān)if語(yǔ)句，正確地進(jìn)行修改添加。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，這決不是一件輕松的工作。

圖1　示例代碼

實(shí)際上，這類(lèi)問(wèn)題的最佳解決方案是“多分派+動(dòng)態(tài)綁定”，即使用直到運(yùn)行時(shí)才進(jìn)行綁定的方法重載機(jī)制。如果有這樣的機(jī)制，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)運(yùn)行時(shí)各參數(shù)的實(shí)際情況，自動(dòng)選擇最合適的方法執(zhí)行，代碼中不再需要類(lèi)型判定，添加新的子類(lèi)也因此變得簡(jiǎn)單。然而，方法何時(shí)綁定、如何綁定，是編程語(yǔ)言的內(nèi)部機(jī)制，是由語(yǔ)言的設(shè)計(jì)者決定的。在過(guò)去，語(yǔ)言使用者是完全無(wú)能為力的。不過(guò)，自JDK1.7起，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言支持（JSR-292），這方面情況已有所改觀。

2　JVM的動(dòng)態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言支持

JSR-292[2]的最初出發(fā)點(diǎn)是為了便于在JVM虛擬機(jī)上，高效實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于JRuby、Jython、Groovy、Clojure這樣的動(dòng)態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言。動(dòng)態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言不需要變量聲明，變量類(lèi)型在運(yùn)行時(shí)確定，并據(jù)此進(jìn)行不同的處理。例如對(duì)于表達(dá)式a+b，要等到運(yùn)行到此處時(shí)，才會(huì)根據(jù)a、b類(lèi)型確定是做整數(shù)加、浮點(diǎn)數(shù)加、還是字符串加。這類(lèi)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、靈活，近來(lái)越來(lái)越受歡迎，但JVM對(duì)它們的支持一直有所欠缺。

JVM的bytecode原有4條方法調(diào)用指令[3]，invokevirtual、invokespecial、invokeinterface和invokestatic，分別是調(diào)用動(dòng)態(tài)綁定的成員方法、不需動(dòng)態(tài)綁定的成員方法、接口定義的方法和類(lèi)方法。它們最終執(zhí)行的方法體都是由虛擬機(jī)根據(jù)編譯時(shí)嵌入指令中的符號(hào)引用，按照固定的查找規(guī)則確定的。它們適用于Java語(yǔ)言，但其他語(yǔ)言要按照自己的規(guī)則動(dòng)態(tài)確定執(zhí)行的方法體，就不那么容易了，需要使用種種特異手法去遷就JVM中的這些規(guī)則。這勢(shì)必增加語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，也帶來(lái)額外的性能和內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)。因此JSR-292引入了一條新的調(diào)用指令invokedynamic，允許其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)者按照自己的調(diào)用規(guī)則，確定最終執(zhí)行的代碼，從而直接在虛擬機(jī)層面上解決了此問(wèn)題。

為新增加的invokedynamic指令，JVM在類(lèi)文件中還添加了一些描述它的新的常量、屬性元素。又在API中引入了java.lang.invoke包[4]，提供支持這些操作的相關(guān)類(lèi)。其中最重要的是方法句柄類(lèi)（MethodHandle），它提供在虛擬機(jī)底層訪問(wèn)類(lèi)或?qū)ο笾懈鞒蓡T的機(jī)制，無(wú)論是方法調(diào)用還是數(shù)據(jù)訪問(wèn)，都直接加以處理，甚至連其他調(diào)用指令都要執(zhí)行的權(quán)限校驗(yàn)等行為也會(huì)跳過(guò)。對(duì)于現(xiàn)今日益發(fā)展的JIT、Hotspot等技術(shù)帶來(lái)的豐富的優(yōu)化措施，它們也能夠享用。因而用它們進(jìn)行處理，能保持代碼執(zhí)行的高效率。MethodHandle對(duì)象是強(qiáng)類(lèi)型的，由MethodType描述它的參數(shù)和返回值類(lèi)型。使用時(shí)，提供的參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足其類(lèi)型要求，當(dāng)然它也有能進(jìn)行各種類(lèi)型轉(zhuǎn)換的方法，用戶(hù)可根據(jù)需要選用。java.lang.invoke包中還提供了許多生成、變換、組合MethodHandle的方法，使用者可根據(jù)自己實(shí)現(xiàn)的規(guī)則的要求，在使用前后作各種處理，達(dá)成希望的結(jié)果。

該包中還有CallSite類(lèi)，每個(gè)invokedynamic指令中都含有此對(duì)象的引用，它記錄著虛擬機(jī)運(yùn)行至此處時(shí)要執(zhí)行的方法句柄。初次運(yùn)行時(shí)，該引用是空的，虛擬機(jī)要執(zhí)行程序中先前嵌入的自舉方法句柄BootStrapMethodHandle，根據(jù)運(yùn)行時(shí)信息，生成相應(yīng)對(duì)象，確定以后將執(zhí)行的動(dòng)作。

3　動(dòng)態(tài)方法重載的實(shí)現(xiàn)

利用這些類(lèi)和對(duì)象，可以為虛擬機(jī)制定動(dòng)態(tài)調(diào)用的各種規(guī)則。利用它們，也可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綁定的方法重載。具體思路是在執(zhí)行這些方法調(diào)用時(shí)，首先，查看運(yùn)行棧中各參數(shù)的實(shí)際類(lèi)型，依據(jù)這些信息，查找到最匹配的方法體，再轉(zhuǎn)入執(zhí)行。為了和Java原來(lái)的調(diào)用機(jī)制一致，匹配時(shí)以排在前面的參數(shù)優(yōu)先為原則，即先找第一個(gè)參數(shù)的最匹配類(lèi)，再找第二個(gè)，以此類(lèi)推。為盡量減少對(duì)代碼執(zhí)行效率造成的影響，這種搜尋工作不宜在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行。因此，要事先將參數(shù)類(lèi)型的各種可能組合與方法句柄的對(duì)應(yīng)放入一個(gè)HashMap，到運(yùn)行時(shí)只要用實(shí)際類(lèi)型做一次散列映射，就能獲得最匹配的方法。這樣就實(shí)現(xiàn)了基于多分派的運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的方法捆綁，即動(dòng)態(tài)的方法重載。如在此機(jī)制下執(zhí)行圖1中的求兩線(xiàn)交點(diǎn)的語(yǔ)句①，不管l1、l2為何類(lèi)型，都能得到正確結(jié)果。

這種基于棧中參數(shù)類(lèi)型進(jìn)行的映射，還可以處理得更靈活，使通過(guò)添加子類(lèi)來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的工作更簡(jiǎn)單方便。仍以求兩線(xiàn)交點(diǎn)為例，假如在直角坐標(biāo)系統(tǒng)完成以后，要添加對(duì)極坐標(biāo)的支持，當(dāng)然要添加新的點(diǎn)、線(xiàn)子類(lèi)(class P_Point和class P_Line)。為使語(yǔ)句①依然在任何情況下都能正確運(yùn)行，除了在新的P_Line類(lèi)中需有重載各個(gè)crossPoint方法以外，在舊的Line和VLine類(lèi)中仍要添加新的Point crossPoint(P_Line l)方法，是否能不修改已有代碼呢？

現(xiàn)在完全可以通過(guò)在新類(lèi)中定義靜態(tài)方法來(lái)替代，如圖2所示：

圖2　新添加的子類(lèi)

定義static Point crossPoint(Line la, P_Line lb)方法，將所有對(duì)((Line)l1).crosspoint((P_Line)l2)的調(diào)用映射為對(duì)此方法的調(diào)用。這兩種方法調(diào)用，方法棧中的參數(shù)結(jié)構(gòu)完全一樣。本來(lái)因?yàn)槔墮C(jī)制不同，需用不同的調(diào)用指令，所以不能混用。但使用這里自定義的映射方案，卻可以同樣處理。這樣所有的擴(kuò)展工作就只出現(xiàn)在新建的子類(lèi)中，在新類(lèi)中為舊的類(lèi)添加它所缺少的方法，舊的代碼可以完全保持不變。這對(duì)于新系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，無(wú)疑是有好處的。

JSR-292是專(zhuān)為支持新的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言設(shè)計(jì)的，沒(méi)準(zhǔn)備用于Java，所以在高級(jí)語(yǔ)言層面，通過(guò)Java源代碼不能直接生成invokedynamic指令和相應(yīng)結(jié)構(gòu)。所有工作必須在bytecode層面，通過(guò)修改編譯生成的類(lèi)文件進(jìn)行。好在JVM的類(lèi)文件有嚴(yán)格定義的結(jié)構(gòu)，所有的類(lèi)、變量、方法，包括參數(shù)信息等都通過(guò)字符串構(gòu)成的明晰符號(hào)來(lái)說(shuō)明和引用[3]。只要熟悉這些結(jié)構(gòu)和bytecode指令，通過(guò)添加、修改相應(yīng)元素，依然可以達(dá)成需要功能。

為了明確處理對(duì)象，制定了DynamicMethod標(biāo)注，采用類(lèi)文件的符號(hào)串格式，說(shuō)明將采用動(dòng)態(tài)重載機(jī)制方法的最上層類(lèi)名/接口名、方法名及參數(shù)如圖3所示：

圖3　聲明采用新機(jī)制的方法的標(biāo)注及示例

它用于啟動(dòng)類(lèi)前。處理程序可以從啟動(dòng)類(lèi)開(kāi)始，掃描項(xiàng)目中由編譯器生成的各個(gè)類(lèi)文件。記錄它們的繼承關(guān)系、出現(xiàn)的所有方法實(shí)現(xiàn)、這些方法的各個(gè)調(diào)用點(diǎn)等等。根據(jù)這些信息，處理程序要完成下列操作：

將對(duì)原方法的調(diào)用指令invokevirtual或invokeinterface改為invokedynamic，其前后的參數(shù)準(zhǔn)備和結(jié)果返回不需修改。但invokevirtual指令和invokedynamic指令長(zhǎng)度不一致，后續(xù)指令要作相應(yīng)偏移。由此又會(huì)引起方法中局部變量、StackMap等多個(gè)屬性的有效范圍和轉(zhuǎn)移偏移量、代碼長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)的修改。

對(duì)每個(gè)invokedynamic指令，要指定其自舉方法句柄。為此要在類(lèi)文件的常量池中加入多種類(lèi)型的常量，如InvokeDynamic_info、MethodHandle_info等，在類(lèi)屬性池中加入BootstrapMethods屬性，以滿(mǎn)足invokedynamic指令執(zhí)行的需要。

還要建立一個(gè)輔助類(lèi)，提供映射、自舉等需要的處理代碼。因?yàn)橐呀?jīng)在編譯之后，所以它要在bytecode層面直接生成。實(shí)際上各功能的具體執(zhí)行過(guò)程對(duì)不同的應(yīng)用是非常類(lèi)似的，只是在類(lèi)名、它們的繼承關(guān)系、方法名、參數(shù)個(gè)數(shù)等方面有所不同，所以可以通過(guò)對(duì)一個(gè)bytecode模版進(jìn)行相應(yīng)的替換、重復(fù)，生成所需要的代碼。在這一類(lèi)中主要應(yīng)包含下列方法：

根據(jù)方法簽名及各個(gè)類(lèi)的繼承、實(shí)現(xiàn)信息，獲得各方法句柄，并與適當(dāng)?shù)念?lèi)型組合一起，建立HashMap的方法。

運(yùn)行時(shí)獲得實(shí)際參數(shù)類(lèi)型，完成動(dòng)態(tài)綁定并調(diào)用執(zhí)行的方法。

指令首次調(diào)用時(shí)執(zhí)行的自舉方法。

對(duì)前述求直線(xiàn)交點(diǎn)的例子作如此處理，將大致生成的代碼如圖4所示：

圖4　自動(dòng)生成的輔助類(lèi)

這一對(duì)類(lèi)文件的修改處理步驟可以在編譯后單獨(dú)執(zhí)行，保存獲得的結(jié)果后再加以運(yùn)行。也可以和程序的執(zhí)行合在一起，在主程序main()啟動(dòng)前，代碼裝載時(shí)加以變換，獲得的類(lèi)代碼直接運(yùn)行。這一方案特別適宜于試驗(yàn)、調(diào)試階段，雖然啟動(dòng)稍慢，但可重復(fù)嘗試、修改。它要利用Java.lang.instrument包[4]進(jìn)行，將對(duì)類(lèi)代碼的轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)為ClassFileTransformer接口的transform方法，該方法會(huì)在類(lèi)裝載器裝載了新類(lèi)，對(duì)其進(jìn)行合法性驗(yàn)證之前執(zhí)行。在main()執(zhí)行前，它可先行載入需要的類(lèi)，收集信息，完成各種變換。用戶(hù)還要提供一個(gè)包含premain方法的類(lèi)，在其中用虛擬機(jī)提供的instrumentation對(duì)象注冊(cè)該transform方法。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)用適當(dāng)?shù)拿钚羞x項(xiàng)，使其在應(yīng)用程序的main方法之前執(zhí)行。這樣就可以使程序的所有類(lèi)文件在完成了希望的變換后執(zhí)行。

3　總結(jié)

通過(guò)使用JSR-292提供的功能，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)行時(shí)才確定執(zhí)行代碼的方法重載機(jī)制。這對(duì)于有大量子類(lèi)，而處理方式不能取決于單個(gè)對(duì)象，需要綜合考慮參與處理的所有實(shí)際對(duì)象，才能最終確定的復(fù)雜系統(tǒng)，是很有意義的。執(zhí)行代碼的選擇，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行，程序員不再需要重復(fù)編寫(xiě)那些繁瑣的控制結(jié)構(gòu)，使代碼簡(jiǎn)潔清晰，易讀易改，提高工作效率。這樣的系統(tǒng)也更可重用、更易擴(kuò)展，更加符合面向?qū)ο蠓椒ㄋ非蟮能浖_(kāi)發(fā)目標(biāo)。

這種機(jī)制的使用，只需要在代碼中增加一個(gè)標(biāo)記。雖然實(shí)際上改變了Java的運(yùn)行機(jī)制，但在語(yǔ)法上沒(méi)有任何改變，執(zhí)行結(jié)果也符合預(yù)期，不違背原有的習(xí)慣，因此不會(huì)給程序員造成任何負(fù)擔(dān)。它對(duì)運(yùn)行效率的影響，也只是增加一次散列表的查找，在現(xiàn)代運(yùn)行環(huán)境下應(yīng)該是可以接受的。

參考文獻(xiàn)

[1] James Gosling, Bill Joy. The Java Language Specification Java SE 8 Edition [M]. Addison-Wesley Professional, 2015,2.

[2] John Rose. JSR-292 Supporting Dynamically Typed Languages on the Java Platform (FinalRelease) [EB/OL]. https://jcp.org/aboutJava/communityprocess/final/jsr292/.

[3] Tim Lindholm, Frank Yellin. The Java Virtual Machine Specification Java SE 8 Edition [M]. Addison-Wesley Professional ,2015,2.

[4] Oracle co. Java Platform, Standard Edition 8 API Specification [EB/OL]. http:// docs.oracle.com/javase/ 8/docs/api/.

收稿日期：（2015.04.09）

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)忠林（1964-），男，江蘇鎮(zhèn)江，上海師范大學(xué)，講師，碩士，研究方向：Java應(yīng)用、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，上海，200234

文章編號(hào)：1007-757X(2015)12-0069-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A