Java多态与虚方法表：为什么父类引用无法调用子类新增方法？

报错代码：

package com.torch;

public class PolymorphismDemo {

    static class Animal {
        public void eat(){
            System.out.println("动物吃饭！");
        }
        public void work(){
            System.out.println("动物可以帮助人类干活！");
        }
    }

    static class Cat extends Animal {
        public void eat() {
            System.out.println("吃鱼");
        }
        public void sleep() {
            System.out.println("猫会睡懒觉");
        }
    }

    static class Dog extends Animal {
        public void eat() {
            System.out.println("吃骨头");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Animal cat=new Cat();
        //    cat.eat();
        //    cat.work();
        cat.sleep();//此处编译会报错。
    }
}

在 Java 中，虚方法表（vtable） 是实现多态的核心机制。结合虚方法表，我们可以更清晰地理解为什么 cat.sleep() 会编译报错，以及多态是如何工作的。

1. 虚方法表的概念

虚方法表是每个类在 JVM 方法区中维护的一张表，记录了该类的所有虚方法（可被重写的方法）的实际入口地址。
非虚方法（如 static、private、final 方法）不会出现在虚方法表中，它们的调用在编译时直接绑定。

2. 类的虚方法表结构

以下示例中类的虚方法表如下：

`Animal` 类的虚方法表

1
2
3

Animal 的虚方法表:
1. eat()  -> Animal.eat()
2. work() -> Animal.work()

`Cat` 类的虚方法表

Cat 的虚方法表:
1. eat()  -> Cat.eat()     // 重写父类的 eat()
2. work() -> Animal.work() // 继承父类的 work()
3. sleep() -> Cat.sleep()  // 新增的方法

`Dog` 类的虚方法表

1
2
3

Dog 的虚方法表:
1. eat()  -> Dog.eat()     // 重写父类的 eat()
2. work() -> Animal.work() // 继承父类的 work()

3. 多态调用的核心规则

编译时检查：基于引用类型（Animal）的虚方法表。
运行时绑定：基于实际对象类型（Cat）的虚方法表。

4. 问题分析：为什么 `cat.sleep()` 编译报错？

代码片段

1 2	Animal cat = new Cat(); cat.sleep(); // 编译报错

关键原因

编译时检查：
- 变量 cat 的编译时类型是 Animal。
- 编译器会检查 Animal 类的虚方法表，发现其中没有 sleep() 方法。
- 因此直接报错：Animal 类型没有 sleep() 方法。
运行时绑定：
- 虽然实际对象是 Cat，且 Cat 的虚方法表中有 sleep() 方法。
- 但编译时的检查已经失败，代码无法进入运行阶段。

5. 虚方法表的运行时行为

如果通过强制类型转换调用 sleep()：

1	((Cat) cat).sleep(); // 编译通过，运行时调用 Cat.sleep()

运行时步骤：

强制转换：告诉编译器 cat 实际是 Cat 类型。
编译检查：检查 Cat 的虚方法表，发现 sleep() 方法存在。
运行时绑定：通过 Cat 的虚方法表找到 sleep() 的入口地址，执行具体实现。

6. 多态的核心总结

阶段	规则
编译时	基于引用类型的虚方法表检查方法是否存在。
运行时	基于实际对象类型的虚方法表动态绑定方法实现。

父类引用无法调用子类新增方法：因为父类的虚方法表中没有该方法。
重写方法可以动态绑定：因为子类的虚方法表会覆盖父类方法的入口地址。

7. 最终结论

cat.sleep() 编译报错的根本原因是：编译时检查基于 Animal 的虚方法表，而 Animal 的虚方法表中没有 sleep() 方法。虚方法表机制确保了多态的安全性和灵活性，但编译时的类型检查仍然是严格基于引用类型的。