C++的动态分派在HotSpot VM中的重要应用

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小编点评

**C++ 的动态分派** * 使用 `virtual`关键字声明虚函数，并在派生类中重写虚函数时，根据接收者类型动态选择方法。 * 虚函数通过 `vfptr` 指针指向虚函数表，虚函数表包含指向实际方法的指针。 **Java 的动态分派** * 方法默认是动态分派的，当子类重写父类的方法时，方法会根据接收者类型自动调用相应的虚方法。 * 虚函数表是一个类属性，包含指向虚方法的指针。 **区别** | 特性 | C++ | Java | |---|---|---| |虚函数声明 | `virtual` | `public` | | 方法重写 | 重载父类方法 | 重写父类方法 | | 方法类型 | 虚函数 | 方法 | | 方法表 | 指向虚函数表 | 指向方法表 | | 静态绑定 | 否 | 是 | | 动态绑定 | 是 | 否 |

正文

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）。

虚函数表是属于类的，而不是属于某个具体的对象，一个类只需要一个虚函数表即可。同一个类的所有对象都使用同一个虚函数表。为了指定对象的虚函数表，对象内部包含一个虚函数表的指针，来指向自己所使用的虚函数表。为了让每个包含虚函数表的类的对象都拥有一个虚函数表指针，编译器在类中添加了一个指针，用来指向虚函数表。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函数表。

从如上的例子我们应该能够得到如下一些结论：

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；
C++中只要有虚函数，就会在类中有一个虚函数表，而且类的每个实例都会多出一个指向虚函数表的指针。

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。

在HotSpot VM中有非常多使用动态分派的例子，如Klass继承体系下的类有个oop_oop_iterate_v_m()函数，在发生YGC时，由于老年代也会有引用指向年轻代对象，所以必须通过卡表找到这些可能的对象，在找到这些对象后，这些对象的哪些区域是引用还要进一步借助Klass来完成，如一般的对象会调用InstanceKlass中的oop_oop_iterate_v_m()函数，而java.lang.Class对象会调用InstanceMirrorKlass类中的oop_oop_iterate_v_m()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。final关键字与C++的virtual有着相反的作用。
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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