4

Что из себя представляет механизм полиморфизма в Java и как он работает? Если это зависит от реализации конкретной JVM, то хотелось бы увидеть это на примере какой-нибудь JVM, например HotSpot.

Для уточнения, в С++ полиморфизм реализуется за счет таблицы виртуальных функций для каждого класса, указатель на которую неявно хранится в каждом экземпляре класса. А как это сделано в Java?

2
  • Если вас интересуют именно функции, то в java они все виртуальные.
    – Vartlok
    1 окт 2015 в 6:34
  • Вопрос скорее про то, как осуществляется выбор виртуальной функции во время исполнения программы? Как выбирается какой метод вызвать, текущего класса или базового? Там это тоже сделано за счет таблицы методов? 1 окт 2015 в 6:46

1 ответ 1

12

Полиморфизм метода, определённого в классе, достигается за счёт выбора по таблице виртуальных методов примерно как в C++. То есть накладные расходы на вызов — это взять у объекта classword (который записан в его заголовке), добавить к нему известное заранее смещение и вызвать метод по указанному адресу.

Полиморфизм метода, определённого в интерфейсе, достигается более сложным путём: в структуре описания класса ищется запись, относящаяся к данному интерфейсу, и в ней уже ищется нужный метод. То есть, скажем,

public static <T> T getFirst(List<T> list) { return list.get(0); }

public static <T> T getFirst(AbstractList<T> list) { return list.get(0); }

Первый случай может оказаться медленнее, потому что мы вызываем метод интерфейса. Хотя метод один и тот же, но разница есть. Даже в байткоде две разные инструкции — invokeinterface и invokevirtual.

JIT-компилятор HotSpot агрессивно использует технику девиртуализации. Естественно в обычный статический вызов превратится вызов final-метода или метода final-класса. Также если runtime-таблица типов говорит, что данный метод нигде не переопределён, вызов будет статическим:

public static <T> T getFirst(ArrayList<T> list) { 
    return <static call> list.get(0); 
}

Хотя ArrayList не final-класс и метод get тоже не final, если мы знаем, что он не переопределён на данный момент ни в одном загруженном классе, мы можем сделать вызов статическим. Если будет загружен новый класс, который нарушит это условие, JIT-компилятор перекомпилирует этот метод.

Если есть варианты, используется профиль типов. К примеру, если этот код уже выполнялся 5000 раз и из них в 4990 случаях вызывался конкретный метод ArrayList.get, то JIT-компилированный код станет примерно таким:

public static <T> T getFirst(List<T> list) { 
    if(list.getClass() == ArrayList.class) {
        return <static call> ((ArrayList<T>)list).get(0);
    }
    // обновить профиль типов
    return list.get(0); 
}

Проверка list.getClass() == ArrayList.class весьма быстрая — это достать classword (по скорости как прочитать поле объекта) и сравнить с константой (на момент JIT-компиляции точно известен classword для класса ArrayList). Branch-prediction тоже хорошо отработает, если условие в подавляющем большинстве случаев выполняется.

Если из 5000 вызовов было 3000 ArrayList и 1990 LinkedList, код будет примерно таким:

public static <T> T getFirst(List<T> list) { 
    if(list.getClass() == ArrayList.class) {
        return <static call> ((ArrayList<T>)list).get(0);
    } else if(list.getClass() == LinkedList.class) {
        return <static call> ((LinkedList<T>)list).get(0);
    }
    // обновить профиль типов
    return list.get(0); 
}

Это биморфный вызов. Если же популярных вариантов было больше двух, то тогда уж вызов останется честным виртуальным.

Разумеется, если вы в одном методе вызываете несколько методов неизвестного объекта, переданного параметром (или в цикле вызываете метод много раз), то тип проверяться будет только один раз.

Если вызов удалось девиртуализовать (хотя бы в биморфный вариант), то дальше агрессивно применяется инлайнинг (видал своими глазами как в один метод инлайнилось штук 70 других на глубину вызовов до 8-9: в первый инлайнится второй, в него третий и т. д.). Инлайнинг открывает дорогу к тонне других оптимизаций.

Как вы уже поняли, первоначально код выполняется во-первых, медленнее, а во-вторых в режиме профилирования. То есть при каждом вызове метода не просто происходит вызов, но и обновляется таблица статистики, где указывается, какой конкретно класс тут был. Когда статистика собрана, метод перекомпилируется с учётом неё. При этом если есть быстрая и медленная ветка, то медленная будет обновлять статистику дальше. Например, если сценарий использования программы поменялся, то метод может быть снова перекомпилирован.

3
  • Спасибо за развернутый и подробный ответ! Остался еще небольшой вопрос по поводу таблицы виртуальных методов - где хранится указатель на нее? 1 окт 2015 в 10:48
  • @AndreyArzhannikov, сама таблица хранится в структуре, описывающей класс, а указатель на эту структуру (classword) хранится в заголовке каждого объекта (что-то вроде обязательного скрытого поля). 1 окт 2015 в 10:57
  • еще раз благодарю) 1 окт 2015 в 11:04

Ваш ответ

By clicking “Отправить ответ”, you agree to our terms of service and acknowledge you have read our privacy policy.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.