Java和C++中多態的實現方式

多態是面向對象的最主要的特性之一，是一種方法的動態綁定，實現運行時的類型決定對象的行爲。多態的表現形式是父類指針或引用指向子類對象，在這個指針上調用的方法使用子類的實現版本。多態是IOC、模板模式實現的關鍵。

在C++中通過虛函數表的方式實現多態，每個包含虛函數的類都具有一個虛函數表（virtual table），在這個類對象的地址空間的最靠前的位置存有指向虛函數表的指針。在虛函數表中，按照聲明順序依次排列所有的虛函數。比如：

class Base {
public:
	virtual void f() {
		printf("Base::f()");
	}
	
	virtual void g() {
		printf("Base::g()");
	}
};

class Derived: public Base {
public:
	virtual void f() {
		printf("Derived::f()");
	}
};

上面代碼對應的類佈局：

由於C++在運行時並不維護類型信息，所以在編譯時直接在子類的虛函數表中將被子類重寫的方法替換掉，如上圖的Derived::f()，這個方法會被放到虛函數表中原來父函數在的位置。由於在編譯時就確定了虛函數在虛表中的下標，所以在進行虛函數調用時，直接根據下標進行訪問。比如，調用Derived對象上的f()：

Base *b = new Derived;
b->f();

在調用b->f()時，內部會轉化成(*b->vptr[1])()，由於虛函數表需要完成RTII，所以虛函數表的第一個slot存放的是type info，虛函數下標從1開始。實際上，虛函數表記錄了這個類的所有虛函數的具體實現（就是在運行時確切要調用的），編譯時就可以確定，不需要動態查找，效率較高。

而Java中，在運行時會維持類型信息以及類的繼承體系。每一個類會在方法區中對應一個數據結構用於存放類的信息，可以通過Class對象訪問這個數據結構。其中，類型信息具有superclass屬性指示了其超類，以及這個類對應的方法表（其中只包含這個類定義的方法，不包括從超類繼承來的）。而每一個在堆上創建的對象，都具有一個指向方法區類型信息數據結構的指針，通過這個指針可以確定對象的類型。

JVM中用於方法調用的指令包括：

invokevirtual：用於調用實例方法，會根據對象的實際類型進行調用。

invokespecial：需要特殊處理的實例方法，比如：public final方法、私有方法和父類方法等。調用的方法取決於引用的類型。

invokeinterface：調用接口的方法。

invokestatic：調用類方法。

按照上面描述，對於子類覆蓋父類的方法，編譯後，調用指令應該是invokevirtual，調用的方法取決於對象的類型。invokevirtual方法查找的實現方式是：

1. 通過對象中類指針找到其類信息，然後在方法表中根據方法簽名找到該方法。

2. 如果不在當前類，則遞歸查找其父類的方法表直到Object類。

3. 如果找到Object類，也沒有該方法，會拋出NoSuchMethodException異常。

與js、lua等動態語言類似，Java的實現方式依賴於內存中的類型體系信息，存在一個“原型鏈”，是一個完全動態的查找過程，相對於C++而言，效率會低一些，因爲存在一個鏈表遍歷查找的過程。之所以，Java中可以這樣實現，本質上是因爲它是一門虛擬機語言，虛擬機會維持所有的這些類型信息。