Java和C++中多态的实现方式

多态是面向对象的最主要的特性之一，是一种方法的动态绑定，实现运行时的类型决定对象的行为。多态的表现形式是父类指针或引用指向子类对象，在这个指针上调用的方法使用子类的实现版本。多态是IOC、模板模式实现的关键。

在C++中通过虚函数表的方式实现多态，每个包含虚函数的类都具有一个虚函数表（virtual table），在这个类对象的地址空间的最靠前的位置存有指向虚函数表的指针。在虚函数表中，按照声明顺序依次排列所有的虚函数。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()");

}

};

上面代码对应的类布局：

由于C++在运行时并不维护类型信息，所以在编译时直接在子类的虚函数表中将被子类重写的方法替换掉，如上图的Derived::f()，这个方法会被放到虚函数表中原来父函数在的位置。由于在编译时就确定了虚函数在虚表中的下标，所以在进行虚函数调用时，直接根据下标进行访问。比如，调用Derived对象上的f()：

Base *b = new Derived;

b->f();

在调用b->f()时，内部会转化成(*b->vptr[1])()，由于虚函数表需要完成RTII，所以虚函数表的第一个slot存放的是type info，虚函数下标从1开始。实际上，虚函数表记录了这个类的所有虚函数的具体实现（就是在运行时确切要调用的），编译时就可以确定，不需要动态查找，效率较高。

而Java中，在运行时会维持类型信息以及类的继承体系。每一个类会在方法区中对应一个数据结构用于存放类的信息，可以通过Class对象访问这个数据结构。其中，类型信息具有superclass属性指示了其超类，以及这个类对应的方法表（其中只包含这个类定义的方法，不包括从超类继承来的）。而每一个在堆上创建的对象，都具有一个指向方法区类型信息数据结构的指针，通过这个指针可以确定对象的类型。

JVM中用于方法调用的指令包括：

invokevirtual：用于调用实例方法，会根据对象的实际类型进行调用。

invokespecial：需要特殊处理的实例方法，比如：public final方法、私有方法和父类方法等。调用的方法取决于引用的类型。

invokeinterface：调用接口的方法。

invokestatic：调用类方法。

按照上面描述，对于子类覆盖父类的方法，编译后，调用指令应该是invokevirtual，调用的方法取决于对象的类型。invokevirtual方法查找的实现方式是：

1. 通过对象中类指针找到其类信息，然后在方法表中根据方法签名找到该方法。

2. 如果不在当前类，则递归查找其父类的方法表直到Object类。

3. 如果找到Object类，也没有该方法，会抛出NoSuchMethodException异常。

与js、lua等动态语言类似，Java的实现方式依赖于内存中的类型体系信息，存在一个“原型链”，是一个完全动态的查找过程，相对于C++而言，效率会低一些，因为存在一个链表遍历查找的过程。之所以，Java中可以这样实现，本质上是因为它是一门虚拟机语言，虚拟机会维持所有的这些类型信息。