C++的动态分派在HotSpot VM中的重要应用

众所周知，多态是面向对象编程语言的重要特性，它允许基类的指针或引用指向派生类的对象，而在具体访问时实现方法的动态绑定。C++ 和 Java 作为当前最为流行的两种面向对象编程语言，其内部对于多态的支持对于单继承的实现非常类似。

首先来体现一下C++的动态分派，如下：

class Base1{

public:
 int base1_var1;
 int base1_var2; 

 void func(){}
};

C++中有函数的动态分派，就类似于Java中方法的多态。而C++实现动态分派主要就是通过虚函数来完成的，非虚函数在编译时就已经确定调用目标。C++中的虚函数通过关键字virtual来声明，如上函数func()没有virtual关键字，所以是非虚函数。

查看内存布局，如下：

1>  class Base1  size(8):
1>   +---
1>   0   | base1_var1
1>   4   | base1_var2
1>   +---

非虚函数不会影响内存布局。　

class Base1{

public:
 int base1_var1;
 int base1_var2; 

 virtual void base1_fun1() {}
};

内存布局如下：

1>  class Base1  size(16):
1>   +---
1>   0   | {vfptr}
1>   8   | base1_var1
1>  12   | base1_var2
1>   +---

在64位环境下，指针占用8字节，而vfptr就是指向虚函数表（vtable）的指针，其类型为void**, 这说明它是一个void*指针。类似于在类Base1中定义了如下类似的伪代码：

void* vtable[1] = {  &Base1::base1_fun1  };

const void**  vfptr = &vtable[0];

这个非常类似于Java虚拟机中对Java方法动态分派时的虚函数表（可参看深入剖析Java虚拟机：源码剖析与实例详解》一书第6.3节）。

虚表是属于类的，而不是属于某个具体的对象，一个类只需要一个虚表即可。同一个类的所有对象都使用同一个虚表。为了指定对象的虚表，对象内部包含一个虚表的指针，来指向自己所使用的虚表。为了让每个包含虚表的类的对象都拥有一个虚表指针，编译器在类中添加了一个指针，*__vptr，用来指向虚表。这样，当类的对象在创建时便拥有了这个指针，且这个指针的值会自动被设置为指向类的虚表。

从如上的例子我们应该能够得到如下一些结论：

1. C++的动态分派需要明确用virtual关键字指明，而Java中的方法默认就是动态分派，这也体现出两种语言设计理念的不同，C++不想让用户为用不到的功能付出代价，Java更看重开发效率，将一些复杂的底层控制全权托管给虚拟机；
2. C++中只要有虚函数，就会在类中有一个虚表，而且类的每个实例都会多出一个指向虚表的指针。

对于第2点来说，HotSpot VM的设计者充分考虑了这个情况，所以在一些类的设计上能不用虚函数就绝对不用，例如oop继承体系下的所有类都不会用虚函数，因为有一个Java实例就会有一个oop，现在的应用程序一般都有过千万的实例，那我们可以算一下，每个实例要多出8个字节存储指向虚表的指针，那要消耗掉多少内存呢？！

下面我们来谈谈第1点提到的动态分派。先来看一下单继承情况下C++的动态分派。

class Person{
     . . .
 public :
    void init(){} // 非virtual方法
    virtual void sing (){};
    virtual void dance (){};
 }; 

class Girl : public Person{
     . . .
public :
   virtual void sing(){};
   virtual void speak(){};
};

动态分派的过程大概如下图所示。

只有加virtual关键字的虚函数才会存在于虚函数表中，也就是这些虚函数需要动态分派。当子类重写了父类的方法时，动态分派能准确根据接收者类型找到实际需要调用的函数。

下面看一下Java的动态分派。举个例子如下：

class Person{
  	void sing (){}
	void dance (){}
}

class Girl extends Person{
	void sing(){}
	void speak(){}
}

了解过Java虚函数表的人可能知道，类中许多的方法都会放到虚函数表中，这就是我们前面说的，Java中的方法默认都是动态分派的。

动态分派的过程大概如下图所示。

从Object继承下来5个方法，final、静态方法和构造方法不会进入虚函数表中。JVM的方法调用指令有四个，分别是 invokestatic，invokespecial，invokesvirtual 和 invokeinterface。前两个是静态绑定，后两个是动态绑定的，invokevirtual表示调用虚方法，也就是会查虚函数表进行调用，而invokeinterface表示调用接口方法，会有个接口函数表，这里暂不介绍。

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