引入

虚函数本是c++中的概念，但在java中应用非常广泛，因为虚函数是为了实现多态而生，需要为函数添加vritual声明。但在java中，所有类都可以被继承，所有方法都可以在子类中重写，多态的实现完全不需要担心，结论好像已经显而易见了，但为了说明java多态在虚拟机中的实现原理，还是要从c++的虚函数写起。

虚函数的定义

在某[基类]中声明为 virtual 并在一个或多个[派生类]中被重新定义的[成员函数]。
用法格式为：virtual 函数返回类型函数名（参数表） {[函数体]}；实现[多态性]，通过指向派生类的基类[指针]或引用，访问派生类中同名覆盖成员函数。
举例说明：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
    public:
        void virtual FUN()
        {
            cout<<"FUN in A is called"<<endl;
        }
};
 
class B : public A
{
    public:
        void FUN()
        {
            cout<<"FUN in B is called"<<endl;
        }
};
 
int main()
{
    A a;
    B b;
    A *p;
    p = &a;
    p->FUN();
    p = &b;
    b.FUN();
    return 0;
}

结果：

FUN in A is called
FUN in B is called

如果去掉virtual，结果会是两个FUN in A is called。
通过这个例子，可以看到虚函数的作用------实现多态。指向基类的指针在操作它的多态类对象时，会根据不同的类对象，调用其相应的函数，这个函数就是虚函数。

java实现的多态

而在java中就没有相关声明了，直接extends父类，重写一个同名方法即可完成方法的覆盖。


class A{
    public void FUN(){
        System.out.println("FUN in A is called");
    }
}
class B extends A{
    public void FUN(){
        System.out.println("FUN in B is called");
    }
}
public class VirtualTest {
 
    public static void main(String args[])  {
        A a = new A();
        B b = new B();
        a.FUN();
        b.FUN();
    }
}

运行结果：

FUN in A is called
FUN in B is called

在上面的代码中，我们同样定义了一个基类指针（在java中应该叫引用）去指向不同的对象，可以发现同样可以实现多态。也就是说，java的普通成员方法（没有被static、native等关键字修饰）就是虚函数，原因很简单，它本身就实现虚函数实现的功能------多态。

字节码验证

我们首先通过javac命令编译java文件，在使用javap -verbose VirtualTest查看字节码文件，如下图

image.png

得到字节码文件如下图

image.png

上面字节码中，有许多指令，如aload、invokespecial、invokevirtual（注：aload指令是用来将数据加载到栈，invokespecial用来调用类的构造函数，invokevirtual用来调用普通函数）。可以发现，对于A.FUN的调用，java虚拟机所采用的调用方式就是invokevirtual。这些字节码的调用指令，是由《java虚拟机规范》规定的，在制定规范之初，大牛们就直接用invokevirtual来命名调用普通函数的指令。从字节码指令的命名上也可以看出，java中的普通成员函数就是虚函数。

结论：
C++--------------------Java
虚函数 -------- 普通方法
纯虚函数 -------- 抽象方法
抽象类 -------- 抽象类
虚基类 -------- 接口
java类中普通成员方法就是虚函数。
ps：静态方法不能被重写，所以也不存在静态方法的多态。

多态在内存中的实现

让我们从一个简单的类开始说明，shape类存放两个字段，x，y，他们在内存中是这样存放的：

image.png

如果加入子类circle，继承shape，子类增加一个字段，那么cricle对象在内存中是这样的：

image.png

上面都没什么问题，但如果父类一个方法，在内存中怎么放置？每个子类对象都做一次拷贝？那太浪费了。我们可以把这个方法在内存中生成一份，然后在每个对象上增加一个指针，指向这个方法就行了。

image.png

但是问题又来了，如果父类又加了一个方法，我们又要多上n个指针。

image.png

如果方法很多，对象也很多，那么实际指针数将是m*n。还是浪费。那么有什么解决办法呢？很明显，我们需要一个中间层，这个中间层把所有函数的指针都记下来。这个中间层就是虚函数表。

image.png

每个类，只要维持一个虚函数表就可以了。
每个对象，只要记录一个虚函数表的地址就可以了。

为什么叫做虚函数表呢？这个概念可能是从C++中来的，在C++中有个关键字virtual ，修饰一个函数的时候，这个函数就会变为虚函数，在调用时就具备了多态的行为。（注：在Java中，一个类的函数默认都是虚函数）
那多态到底是怎么实现的呢？
非常简单，只要把虚函数表给设置好就行了。假设子类Circle 也定义了一个move 函数，把父类Shape的move函数覆盖了，在内存将会是这个样子：

image.png

当你调用circle.draw()的时候，在虚函数表中找到的还是Shape类的draw()方法。
但是当调用circle.move()的时候，就会从Circle类的虚函数表中找到Circle.move()，而不是Shape.move()，多态发生了！
仔细看看上面这张图，在内存中，三个方法和两个对象是分开的，这里没有Class的概念，多态是通过虚函数表实现的。如果我们写程序的时候，写下这样的函数Shape_draw(), Shape_move(), Circle_move()，再写下Shape和Circle这样的数据结构，然后把他们用虚函数表连接到一起。也就实现了面向对象了。
在内存中，“面向对象”已经褪去漂亮的包装，退化成“面向过程”，退化成那个最基本的公式：程序 = 数据结构 + 算法。
当然，在绝大部分情况下，程序员不需要手工地去实现这个虚函数表，这件事情应该交给机器去做。
对于C++，编译器可以在编译期间生成虚函数表。对于Java，编译出的字节码中是没有的，只有invokevirtual这样的指令，虚函数表是在类装入虚拟机的时候创建的。

多态在内存中的实现--虚函数表

多态在内存中的实现--虚函数表

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虚函数的定义

java实现的多态

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多态在内存中的实现