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Java中的靜態(tài)綁定和動(dòng)態(tài)綁定

 臭小子的共享 2015-04-05

一個(gè)Java程序的執(zhí)行要經(jīng)過編譯和執(zhí)行（解釋）這兩個(gè)步驟，同時(shí)Java又是面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。當(dāng)子類和父類存在同一個(gè)方法，子類重寫了父類的方法，程序在運(yùn)行時(shí)調(diào)用方法是調(diào)用父類的方法還是子類的重寫方法呢，這應(yīng)該是我們?cè)诔鯇W(xué)Java時(shí)遇到的問題。這里首先我們將確定這種調(diào)用何種方法實(shí)現(xiàn)或者變量的操作叫做綁定。

在Java中存在兩種綁定方式，一種為靜態(tài)綁定，又稱作早期綁定。另一種就是動(dòng)態(tài)綁定，亦稱為后期綁定。

區(qū)別對(duì)比

  • 靜態(tài)綁定發(fā)生在編譯時(shí)期，動(dòng)態(tài)綁定發(fā)生在運(yùn)行時(shí)
  • 使用private或static或final修飾的變量或者方法，使用靜態(tài)綁定。而虛方法（可以被子類重寫的方法）則會(huì)根據(jù)運(yùn)行時(shí)的對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)綁定。
  • 靜態(tài)綁定使用類信息來完成，而動(dòng)態(tài)綁定則需要使用對(duì)象信息來完成。
  • 重載(Overload)的方法使用靜態(tài)綁定完成，而重寫(Override)的方法則使用動(dòng)態(tài)綁定完成。

重載方法的示例

這里展示一個(gè)重載方法的示例。

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public class TestMain {
  public static void main(String[] args) {
      String str = new String();
      Caller caller = new Caller();
      caller.call(str);
  }

  static class Caller {
      public void call(Object obj) {
          System.out.println("an Object instance in Caller");
      }
      
      public void call(String str) {
          System.out.println("a String instance in in Caller");
      }
  }
}

執(zhí)行的結(jié)果為

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22:19 $ java TestMain
a String instance in in Caller

在上面的代碼中，call方法存在兩個(gè)重載的實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是接收Object類型的對(duì)象作為參數(shù)，另一個(gè)則是接收String類型的對(duì)象作為參數(shù)。str是一個(gè)String對(duì)象，所有接收String類型參數(shù)的call方法會(huì)被調(diào)用。而這里的綁定就是在編譯時(shí)期根據(jù)參數(shù)類型進(jìn)行的靜態(tài)綁定。

驗(yàn)證

光看表象無法證明是進(jìn)行了靜態(tài)綁定，使用javap發(fā)編譯一下即可驗(yàn)證。

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22:19 $ javap -c TestMain
Compiled from "TestMain.java"
public class TestMain {
  public TestMain();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class java/lang/String
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method java/lang/String."<init>":()V
       7: astore_1
       8: new           #4                  // class TestMain$Caller
      11: dup
      12: invokespecial #5                  // Method TestMain$Caller."<init>":()V
      15: astore_2
      16: aload_2
      17: aload_1
      18: invokevirtual #6                  // Method TestMain$Caller.call:(Ljava/lang/String;)V
      21: return
}

看到了這一行18: invokevirtual #6 // Method TestMain$Caller.call:(Ljava/lang/String;)V確實(shí)是發(fā)生了靜態(tài)綁定，確定了調(diào)用了接收String對(duì)象作為參數(shù)的caller方法。

重寫方法的示例

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public class TestMain {
  public static void main(String[] args) {
      String str = new String();
      Caller caller = new SubCaller();
      caller.call(str);
  }
  
  static class Caller {
      public void call(String str) {
          System.out.println("a String instance in Caller");
      }
  }
  
  static class SubCaller extends Caller {
      @Override
      public void call(String str) {
          System.out.println("a String instance in SubCaller");
      }
  }
}

執(zhí)行的結(jié)果為

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22:27 $ java TestMain
a String instance in SubCaller

上面的代碼，Caller中有一個(gè)call方法的實(shí)現(xiàn)，SubCaller繼承Caller，并且重寫了call方法的實(shí)現(xiàn)。我們聲明了一個(gè)Caller類型的變量callerSub，但是這個(gè)變量指向的時(shí)一個(gè)SubCaller的對(duì)象。根據(jù)結(jié)果可以看出，其調(diào)用了SubCaller的call方法實(shí)現(xiàn)，而非Caller的call方法。這一結(jié)果的產(chǎn)生的原因是因?yàn)樵谶\(yùn)行時(shí)發(fā)生了動(dòng)態(tài)綁定，在綁定過程中需要確定調(diào)用哪個(gè)版本的call方法實(shí)現(xiàn)。

驗(yàn)證

使用javap不能直接驗(yàn)證動(dòng)態(tài)綁定，然后如果證明沒有進(jìn)行靜態(tài)綁定，那么就說明進(jìn)行了動(dòng)態(tài)綁定。

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22:27 $ javap -c TestMain
Compiled from "TestMain.java"
public class TestMain {
  public TestMain();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class java/lang/String
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method java/lang/String."<init>":()V
       7: astore_1
       8: new           #4                  // class TestMain$SubCaller
      11: dup
      12: invokespecial #5                  // Method TestMain$SubCaller."<init>":()V
      15: astore_2
      16: aload_2
      17: aload_1
      18: invokevirtual #6                  // Method TestMain$Caller.call:(Ljava/lang/String;)V
      21: return
}

正如上面的結(jié)果，18: invokevirtual #6 // Method TestMain$Caller.call:(Ljava/lang/String;)V這里是TestMain$Caller.call而非TestMain$SubCaller.call，因?yàn)榫幾g期無法確定調(diào)用子類還是父類的實(shí)現(xiàn)，所以只能丟給運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)綁定來處理。

當(dāng)重載遇上重寫

下面的例子有點(diǎn)變態(tài)哈，Caller類中存在call方法的兩種重載，更復(fù)雜的是SubCaller集成Caller并且重寫了這兩個(gè)方法。其實(shí)這種情況是上面兩種情況的復(fù)合情況。

下面的代碼首先會(huì)發(fā)生靜態(tài)綁定，確定調(diào)用參數(shù)為String對(duì)象的call方法，然后在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)綁定確定執(zhí)行子類還是父類的call實(shí)現(xiàn)。

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public class TestMain {
  public static void main(String[] args) {
      String str = new String();
      Caller callerSub = new SubCaller();
      callerSub.call(str);
  }
  
  static class Caller {
      public void call(Object obj) {
          System.out.println("an Object instance in Caller");
      }
      
      public void call(String str) {
          System.out.println("a String instance in in Caller");
      }
  }
  
  static class SubCaller extends Caller {
      @Override
      public void call(Object obj) {
          System.out.println("an Object instance in SubCaller");
      }
      
      @Override
      public void call(String str) {
          System.out.println("a String instance in in SubCaller");
      }
  }
}

執(zhí)行結(jié)果為

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22:30 $ java TestMain
a String instance in in SubCaller

驗(yàn)證

由于上面已經(jīng)介紹，這里只貼一下反編譯結(jié)果啦

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22:30 $ javap -c TestMain
Compiled from "TestMain.java"
public class TestMain {
  public TestMain();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class java/lang/String
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method java/lang/String."<init>":()V
       7: astore_1
       8: new           #4                  // class TestMain$SubCaller
      11: dup
      12: invokespecial #5                  // Method TestMain$SubCaller."<init>":()V
      15: astore_2
      16: aload_2
      17: aload_1
      18: invokevirtual #6                  // Method TestMain$Caller.call:(Ljava/lang/String;)V
      21: return
}

好奇問題

非動(dòng)態(tài)綁定不可么？

其實(shí)理論上，某些方法的綁定也可以由靜態(tài)綁定實(shí)現(xiàn)。比如

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public static void main(String[] args) {
      String str = new String();
      final Caller callerSub = new SubCaller();
      callerSub.call(str);
}

比如這里callerSub持有subCaller的對(duì)象并且callerSub變量為final，立即執(zhí)行了call方法，編譯器理論上通過足夠的分析代碼，是可以知道應(yīng)該調(diào)用SubCaller的call方法。

但是為什么沒有進(jìn)行靜態(tài)綁定呢？
假設(shè)我們的Caller繼承自某一個(gè)框架的BaseCaller類，其實(shí)現(xiàn)了call方法，而BaseCaller繼承自SuperCaller。SuperCaller中對(duì)call方法也進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)某框架1.0中的BaseCaller和SuperCaller

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static class SuperCaller {
  public void call(Object obj) {
      System.out.println("an Object instance in SuperCaller");
  }
}
  
static class BaseCaller extends SuperCaller {
  public void call(Object obj) {
      System.out.println("an Object instance in BaseCaller");
  }
}

而我們使用框架1.0進(jìn)行了這樣的實(shí)現(xiàn)。Caller繼承自BaseCaller，并且調(diào)用了super.call方法。

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public class TestMain {
  public static void main(String[] args) {
      Object obj = new Object();
      SuperCaller callerSub = new SubCaller();
      callerSub.call(obj);
  }
  
  static class Caller extends BaseCaller{
      public void call(Object obj) {
          System.out.println("an Object instance in Caller");
          super.call(obj);
      }
      
      public void call(String str) {
          System.out.println("a String instance in in Caller");
      }
  }
  
  static class SubCaller extends Caller {
      @Override
      public void call(Object obj) {
          System.out.println("an Object instance in SubCaller");
      }
      
      @Override
      public void call(String str) {
          System.out.println("a String instance in in SubCaller");
      }
  }
}

然后我們基于這個(gè)框架的1.0版編譯出來了class文件，假設(shè)靜態(tài)綁定可以確定上面Caller的super.call為BaseCaller.call實(shí)現(xiàn)。

然后我們?cè)俅渭僭O(shè)這個(gè)框架1.1版本中BaseCaller不重寫SuperCaller的call方法，那么上面的假設(shè)可以靜態(tài)綁定的call實(shí)現(xiàn)在1.1版本就會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)樵?.1版本上super.call應(yīng)該是使用SuperCall的call方法實(shí)現(xiàn)，而非假設(shè)使用靜態(tài)綁定確定的BaseCaller的call方法實(shí)現(xiàn)。

所以，有些實(shí)際可以靜態(tài)綁定的，考慮到安全和一致性，就索性都進(jìn)行了動(dòng)態(tài)綁定。

得到的優(yōu)化啟示？

由于動(dòng)態(tài)綁定需要在運(yùn)行時(shí)確定執(zhí)行哪個(gè)版本的方法實(shí)現(xiàn)或者變量，比起靜態(tài)綁定起來要耗時(shí)。

所以在不影響整體設(shè)計(jì)，我們可以考慮將方法或者變量使用private，static或者final進(jìn)行修飾。

參考文章

一本書

  • Java核心技術(shù)，Java領(lǐng)域最有影響力和價(jià)值的著作之一，擁有20多年教學(xué)與研究經(jīng)驗(yàn)的資深Java技術(shù)專家撰寫（獲Jolt大獎(jiǎng)），與《Java編程思想》齊名，10余年全球暢銷不衰，廣受好評(píng)。

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