02. 方法的存储和调用

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方法存储的概念

在Java中，方法并不是每个对象独立存储的。相反，方法是属于类的，而不是属于对象的。因此，方法的字节码、定义和相关信息存储在方法区（Method Area）中，而不是对象实例的数据中。

1. 方法存储在类的元数据中

  • 方法存储在方法区：Java的方法代码（字节码）和方法的相关信息（如方法名、参数类型、返回类型等）存储在方法区中

2. 方法的执行与对象实例

  • 执行时的引用：当调用对象的方法时，JVM通过对象的类型指针找到类的方法定义，并通过方法表执行相应的方法。
  • 静态方法与实例方法的区别：
    • 实例方法：实例方法依赖于对象实例进行调用。实例方法在调用时会自动将当前对象（this）作为一个隐式参数传递给方法。
    • 静态方法：静态方法不依赖于对象实例，可以通过类名直接调用，静态方法也存储在方法区/元空间中。

简单示例

考虑以下示例：

public class MyClass {
    private int value; // 实例变量

    public void instanceMethod() {
        System.out.println("Instance method called.");
    }

    public static void staticMethod() {
        System.out.println("Static method called.");
    }
}

在这个例子中：

  • 实例数据：value 是 MyClass 的实例变量，每个 MyClass 对象的实例数据部分都包含一个独立的 value。
  • 方法存储：instanceMethod() 和 staticMethod() 都属于类 MyClass，它们的字节码和元数据存储在方法区/元空间中，并不存储在对象的实例数据部分。

当你创建一个 MyClass 的实例时：

MyClass obj = new MyClass();
  • obj 的实例数据部分：仅包含实例变量 value。
  • 方法的调用：当你调用 obj.instanceMethod() 时，JVM通过 obj 的类型指针找到 MyClass 类的元数据，从而执行 instanceMethod() 的字节码。

结论

在Java中，方法的定义、字节码和元数据与对象实例是分离的，存储在方法区/元空间中，而对象实例的数据部分仅包含实例变量。对象通过其类型指针（在对象头中）引用其类的元数据，从而可以访问和执行类中的方法。

这种设计使得Java的内存布局更加高效，同时避免了方法在每个对象实例中重复存储，节省了内存资源。

提问：多态的方法是如何调用的？

当你调用一个实例方法时，JVM通过以下步骤来确定并执行正确的方法：

  1. 通过引用找到对象：
    • 通过强引用（例如animal），找到堆内存中对应的对象。
  2. 获取对象的类型指针：
    • 通过对象头中的类型指针，JVM可以访问方法区中的类信息。
  3. 访问虚方法表：
    • 从类型指针指向的类信息中，JVM找到该类的虚方法表。
  4. 查找方法的实现：
    • 在虚方法表中，查找要调用的方法对应的条目，找到这个方法的实际实现地址（字节码的入口地址）。
  5. 执行方法：
    • JVM跳转到该地址，开始执行方法对应的字节码指令。

实例

以以下代码为例：

Animal animal = new Dog();
animal.speak();
  • 编译时：
    • 编译器生成调用speak()方法的字节码指令，但在编译时并不确定具体调用的是哪一个类的speak()方法，因为animal的实际类型只有在运行时才知道。
  • 运行时：
    • animal指向Dog对象。
    • JVM通过animal找到Dog对象，并通过其类型指针访问Dog类的虚方法表。
    • JVM在虚方法表中查找speak()方法的实现，并找到Dog类的speak()方法地址。
    • 最后，JVM跳转到Dog类的speak()方法实现，并开始执行。

提问：私有方法，静态方法，接口方法的调用呢？和多态的普通实例方法有什么区别？

私有方法

通过引用找到对象：

  • 与普通实例方法一样，JVM首先通过引用找到对象在堆中的位置。

获取对象的类型指针：

  • 访问对象头中的类型指针，找到方法区中的类信息。

直接定位方法实现：

  • 因为私有方法在编译时就确定了，不需要使用虚方法表（Vtable）进行查找。编译器已经在字节码中记录了私有方法的具体位置（字节码入口地址）。
  • JVM直接跳转到这个位置并执行方法。

普通实例方法

通过引用找到对象：

  • 与私有方法一样，JVM首先通过引用找到对象在堆中的位置。

获取对象的类型指针：

  • 访问对象头中的类型指针，找到方法区中的类信息。

查找虚方法表：

  • JVM根据对象的实际类型，在对应的虚方法表中查找方法的实现地址。

执行方法：

  • JVM跳转到虚方法表中找到的方法实现位置，执行该方法。

接口方法

通过引用找到对象：

  • JVM首先通过接口类型的引用找到对象在堆中的位置。

获取对象的类型指针：

  • 访问对象头中的类型指针，找到对象的实际类型（这个类型是实现了接口的具体类）。

查找实现类的方法：

  • JVM检查对象实际类型的类信息，确定它是否实现了所调用的接口。
  • 然后在该类的虚方法表或其他结构中查找接口方法的具体实现。

执行方法：

  • 找到实现后，JVM调用该方法。

静态方法

通过类名直接调用：

  • 静态方法的调用不涉及对象引用。JVM通过类名找到方法区中的类信息。

直接执行方法：

  • JVM通过 invokestatic 指令直接调用静态方法。这种调用是静态的、确定的，不需要虚方法表，也不需要动态分派。

对比总结

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