前言

面向对象的三大特性：封装、 继承 、多态。在这三个特性中，如果没有封装和继承，也不会有多态。

那么多态实现的途径和必要条件是什么呢？以及多态中的重写和重载在JVM中的表现是怎么样？

（若文章有不正之处，或难以理解的地方，请多多谅解，欢迎指正）

多态

多态是同一个行为具有多个不同表现形式或形态的能力。

举个栗子，一只鸡可以做成白切鸡、豉油鸡、吊烧鸡、茶油鸡、盐焗鸡、葱油鸡、手撕鸡、清蒸鸡、叫花鸡、啤酒鸡、口水鸡、香菇滑鸡、盐水鸡、啫啫滑鸡、鸡公煲等等。

多态实现的必要条件

用上面的“鸡的十八种吃法“来举个栗子。

首先，我们先给出一只鸡：

class Chicken{
    public void live(){
        System.out.println("这是一只鸡");
    }
}





    

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1. 子类必须继承父类

对于子类必须继承父类，小编个人认为，是因为按照 面向对象的五大基本原则 所说的中的依赖倒置原则： 抽象不依赖于具体，具体依赖于抽象 。既然要实现多态，那么必定有一个作为"抽象"类来定义“行为”，以及若干个作为"具体"类来呈现不同的行为形式或形态。

所以我们给出的一个具体类——白切鸡类：

class BaiqieChicken extends Chicken{ }

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但仅是定义一个白切鸡类是不够的，因为在此我们只能做到复用父类的属性和行为，而 没有呈现出行为上的不同的形式或形态 。

2. 必须有重写

重写，简单地理解就是 重新定义的父类方法，使得父类和子类对同一行为的表现形式各不相同 。我们用白切鸡类来举个栗子。

class BaiqieChicken extends Chicken{ 
    public void live(){
        System.out.println("这是一只会被做成白切鸡的鸡");
    }
}

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这样就实现了重写，鸡类跟白切鸡类在live()方法中定义的行为不同，鸡类是一只命运有着无限可能的鸡，而白切鸡类的命运就是做成一只白切鸡。

但是为什么还要有“父类引用指向子类对象”这个条件呢？

3. 父类引用指向子类对象

其实这个条件是 面向对象的五大基本原则 里面的里氏替换原则，简单说就是父类可以引用子类，但不能反过来。

当一只鸡被选择做白切鸡的时候，它的命运就不是它能掌控的。

Chicken c = new BaiqieChicken();
c.live();

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运行结果：

这是一只会被做成白切鸡的鸡

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为什么要有这个原则？因为父类对于子类来说，是属于“抽象”的层面，子类是“具体”的层面。“抽象”可以提供接口给“具体”实现，但是“具体”凭什么来引用“抽象”呢？而且“子类引用指向父类对象”是不符合“依赖倒置原则”的。

当一只白切鸡想回头重新选择自己的命运，抱歉，它已经在锅里，逃不出去了。

BaiqieChicken bc = new Chicken();  //这句是运行不了的
bc.live();

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多态的实现途径

多态的实现途径有三种：重写、重载、接口实现，虽然它们的实现方式不一样，但是核心都是： 同一行为的不同表现形式 。

1. 重写

重写，指的是子类对父类方法的重新定义，但是**子类方法的参数列表和返回值类型，必须与父类方法一致！**所以可以简单的理解，重写就是子类对父类方法的核心进行重新定义。

举个栗子：

class Chicken{
    public void live(String lastword){
        System.out.println(lastword);
    }
}
class BaiqieChicken extends Chicken{
    public void live(String lastword){
        System.out.println("这只白切鸡说：");
        System.out.println(lastword);
    }
}

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这里白切鸡类重写了鸡类的live()方法，为什么说是重写呢？因为白切鸡类中live()方法的参数列表和返回值与父类一样，但方法体不一样了。

2. 重载

重载，指的是在一个类中有若干个 方法名相同，但参数列表不同的情况，返回值可以相同也可以不同 的方法定义场景。也可以简单理解成，同一行为（方法）的不同表现形式。

举个栗子：

class BaiqieChicken extends Chicken{
    public void live(){
        System.out.println("这是一只会被做成白切鸡的鸡");
    }
    public void live(String lastword){
        System.out.println("这只白切鸡说：");
        System.out.println(lastword);
    }
}

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这里的白切鸡类中的两个live()方法，一个无参一个有参，它们对于白切鸡类的live()方法的描述各不相同，但它们的方法名都是live。通俗讲，它们对于白切鸡鸡生的表现形式不同。

3. 接口实现

接口，是一种无法被实例化，但可以被实现的抽象类型，是抽象方法的集合，多用作定义方法集合，而方法的具体实现则交给继承接口的具体类来定义。所以， 接口定义方法，方法的实现在继承接口的具体类中定义，也是对同一行为的不同表现形式 。

interface Chicken{
    public void live();
}
class BaiqieChicken implements Chicken{
    public void live(){
        System.out.println("这是一只会被做成白切鸡的鸡");
    }
}
class ShousiChicken implements Chicken{
    public void live(){
        System.out.println("这是一只会被做成手撕鸡的鸡");
    }
}

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从上面我们可以看到，对于鸡接口中的live()方法，白切鸡类和手撕鸡类都有自己对这个方法的独特的定义。

在虚拟机中多态如何表现

前文 我们知道，java文件在经过javac编译后，生成class文件之后在JVM中再进行编译后生成对应平台的机器码。而JVM的编译过程中体现多态的过程，在于选择出正确的方法执行，这一过程称为 方法调用 。

方法调用的唯一任务是确定被调用方法的版本 ，暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。（注：方法调用不等于方法执行）

在介绍多态的重载和重写在JVM的实现之前，我们先简单了解JVM提供的5条方法调用字节码指令：

invokestatic：调用静态方法。
invokespecial：调用实例构造器方法、私有方法和父类方法。
invokevirtual：调用所有的虚方法（这里的虚方法泛指除了invokestatic、invokespecial指令调用的方法，以及final方法）。
invokeinterface：调用接口方法，会在运行时再确定一个实现此接口的对象。
invokedynamic：先在运行时动态解析出调用点限定符所应用的方法（说人话就是用于动态指定运行的方法）。

而方法调用过程中，在编译期就能确定下来调用方法版本的 静态方法、实例构造器方法、私有方法、父类方法和final方法 （虽是由invokevirtual指令调用）在编译期就已经完成了运行方法版本的确定，这是一个静态的过程，也称为 解析调用 。

而 分派调用 则有可能是静态的也可能是动态的，可能会在编译期发生或者运行期才确定运行方法的版本。

而分派调用的过程与多态的实现有着紧密联系，所以我们先了解一下两个概念：

静态分派：所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作。
动态分派：根据运行期实际类型来定位方法执行版本的分派动作。

1. 重载

我们先看看这个例子：

public class StaticDispatch {
    static abstract class Human{ }
    static class Man extends Human{}
    static class Woman extends Human{}
    
    public void sayHello(Human guy){
        System.out.println("hello, guy!");
    }
    public void sayHello(Man guy){
        System.out.println("hello, gentleman!");
    }
    public void sayHello(Woman guy){
        System.out.println("hello, lady!");
    }

    public static void main(String[] args){
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        StaticDispatch sr = new StaticDispatch();
        sr.sayHello(man);
        sr.sayHello(woman);
    }
}

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想想以上代码的运行结果是什么？3，2，1，运行结果如下：

hello, guy!
hello, guy!

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为什么会出现这样的结果？让我们来看这行代码：

Human man = new Man();

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根据里氏替换原则，子类必须能够替换其基类，也就是说子类相对于父类是“具体类”，而父类是处于“奠定”子类的基本功能的地位。

所以，我们把上面代码中的“Human”称为变量man的 静态类型 （Static Type），而后面的"Man"称为变量的 实际类型 （Actual Type），二者的区别在于， 静态类型是在编译期可知的；而实际类型的结果在运行期才能确定 ，编译期在编译程序时并不知道一个对象的实际类型是什么。

在了解了这两个概念之后，我们来看看字节码文件是怎么说的：

javac -verbose StaticDispatch.class

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我们看到，图中的黄色框的invokespecial指令以及标签，我们可以知道这三个是指令是在调用实例构造器方法。同理，下面两个红色框的invokevirtual指令告诉我们，这里是采用分派调用的调用虚方法，而且入参都是“Human”。

因为在分派调用的时候，使用哪个重载版本完全取决于传入参数的数量和数据类型。而且， 虚拟机（准确说是编译期）在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判断依据 ，并且静态类型是编译期可知的。

所以， 在编译阶段，Javac编译期就会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本 。重载是静态分派的经典应用。

2. 重写

我们还是用上面的例子：

public class StaticDispatch {
    static abstract class Human{
        protected abstract void sayHello();
    }
    static class Man extends Human{
        @Override
        protected void sayHello() {
            System.out.println("man say hello");
        }
    }
    static class Woman extends Human{
        @Override
        protected void sayHello() {
            System.out.println("woman say hello");
        }
    }
    public static void main(String[] args){
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        man.sayHello();
        woman.sayHello();
    }
}

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其运行结果为：

man say hello
woman say hello

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相信你看到这里也会会心一笑，这一看就很明显嘛，重写是按照实际类型来选择方法调用的版本嘛。先别急，我们来看看它的字节码：

嘶…这好像跟静态分派的字节码一样啊，但是从运行结果看，这两句指令最终执行的目方法并不相同啊，那原因就得从invokevirtual指令的多态查找过程开始找起。

我们来看看invokevirtual指令的运行时解析过程的步骤：

1. 找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的 实际类型 ，记作C。
2. 如果在在类型C中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的 直接引用 ，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
3. 否则，按照继承关系从下往上依次对 C的各个父类 进行第2步的搜索和验证过程。
4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

我们可以看到，由于invokevirtual指令在执行的第一步就是 在运行期确定接收者的实际类型 ，所以字节码中会出现invokevirtual指令把常量池中的类方法符号引用解析到了不同的直接引用上，这个就是Java重写的本质。

总结一下， 重载 的本质是 在编译期就会根据参数的静态类型来决定重载方法的版本 ，而 重写 的本质 在运行期确定接收者的实际类型 。

结语

坚持写技术文章的确是一件不容易的事情。现在技术更新越来越快，但是依然想把基础再打牢一点。

如果本文对你理解多态有帮助，请给一个赞吧，这会是我最大的动力~

参考资料：

Java多态性理解

从虚拟机指令执行的角度分析JAVA中多态的实现原理

《深入理解Java虚拟机》