Java内部类，相信大家都用过，但是多数同学可能对它了解的并不深入，只是靠记忆来完成日常工作，却不能融会贯通，遇到奇葩问题更是难以有思路去解决。这篇文章带大家一起死磕Java内部类的方方面面。
友情提示：这篇文章的讨论基于JDK版本 1.8.0_191
开篇问题
我一直觉得技术是工具，是一定要落地的，要切实解决某些问题的，所以我们通过先抛出问题，然后解决这些问题，在这个过程中来加深理解，最容易有收获。
so，先抛出几个问题。（如果这些问题你早已思考过，答案也了然于胸，那恭喜你，这篇文章可以关掉了）。
- 为什么需要内部类？
- 为什么内部类（包括匿名内部类、局部内部类），会持有外部类的引用？
- 为什么匿名内部类使用到外部类方法中的局部变量时需要是final类型的？
- 如何创建内部类实例，如何继承内部类？
- Lambda表达式是如何实现的？
为什么需要内部类?
要回答这个问题，先要弄明白什么是内部类？我们知道Java有三种类型的内部类
普通的内部类
public class Demo {
// 普通内部类
public class DemoRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
}
}
}
匿名内部类
public class Demo {
// 匿名内部类
private Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
};
}
方法内局部内部类
public class Demo {
// 局部内部类
public void work() {
class InnerRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
}
}
InnerRunnable runnable = new InnerRunnable();
}
}
这三种形式的内部类，大家肯定都用过，但是技术在设计之初肯定也是要用来解决某个问题或者某个痛点，那可以想想内部类相对比外部定义类有什么优势呢？
我们通过一个小例子来做说明
public class Worker {
private List mJobList = new ArrayList<>();
public void addJob(Runnable task) {
mJobList.add(new Job(task));
}
private class Job implements Runnable {
Runnable task;
public Job(Runnable task) {
this.task = task;
}
@Override
public void run() {
runnable.run();
System.out.println("left job size : " + mJobList.size());
}
}
}
定义了一个Worker类，暴露了一个addJob方法，一个参数task，类型是Runnable，然后定义 了一个内部类Job类对task进行了一层封装，这里Job是私有的，所以外界是感知不到Job的存在的，所以有了内部类第一个优势。
- 内部类能够更好的封装，内聚，屏蔽细节
我们在Job的run方法中，打印了外部Worker的mJobList列表中剩余Job数量，代码这样写没问题，但是细想，内部类是如何拿到外部类的成员变量的呢？这里先卖个关子，但是已经可以先得出内部类的第二个优势了。
- 内部类天然有访问外部类成员变量的能力
内部类主要就是上面的二个优势。当然还有一些其他的小优点，比如可以用来实现多重继承，可以将逻辑内聚在一个类方便维护等，这些见仁见智，先不去说它们。
我们接着看第二个问题！！！
为什么内部类（包括匿名内部类、局部内部类），会持有外部类的引用？
问这个问题，显得我是个杠精，您先别着急，其实我想问的是，内部类Java是怎么实现的。
我们还是举例说明，先以普通的内部类为例
普通内部类的实现
public class Demo {
// 普通内部类
public class DemoRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
}
}
}
切到Demo.java所在文件夹，命令行执行 javac Demo.java，在Demo类同目录下可以看到生成了二个class文件
Demo.class很好理解，另一个 类
Demo$DemoRunnable.class
就是我们的内部类编译出来的，它的命名也是有规律的，外部类名Demo+$+内部类名DemoRunnable。
查看反编译后的代码（IntelliJ IDEA本身就支持，直接查看class文件即可）
package inner;
public class Demo$DemoRunnable implements Runnable {
public Demo$DemoRunnable(Demo var1) {
this.this$0 = var1;
}
public void run() {
}
}
生成的类只有一个构造器，参数就是Demo类型，而且保存到内部类本身的this$0字段中。到这里我们其实已经可以想到，内部类持有的外部类引用就是通过这个构造器传递进来的，它是一个强引用。
验证我们的想法
怎么验证呢？我们需要在Demo.class类中加一个方法，来实例化这个DemoRunnable内部类对象
// Demo.java
public void run() {
DemoRunnable demoRunnable = new DemoRunnable();
demoRunnable.run();
}
再次执行 javac Demo.java，再执行javap -verbose Demo.class，查看Demo类的字节码，前方高能，需要一些字节码知识，这里我们重点关注run方法（插一句题外话，字节码简单的要能看懂，-。-）
public void run();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=2, args_size=1
0: new #2 // class inner/Demo$DemoRunnable
3: dup
4: aload_0
5: invokespecial #3 // Method inner/Demo$DemoRunnable."":(Linner/Demo;)V
8: astore_1
9: aload_1
10: invokevirtual #4 // Method inner/Demo$DemoRunnable.run:()V
13: return
- 先通过new指令，新建了一个Demo$DemoRunnable对象
- aload_0指令将外部类Demo对象自身加载到栈帧中
- 调用Demo$DemoRunnable类的init方法，注意这里将Demo对象作为了参数传递进来了
到这一步其实已经很清楚了，就是将外部类对象自身作为参数传递给了内部类构造器，与我们上面的猜想一致。
匿名内部类的实现
public class Demo {
// 匿名内部类
private Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
};
}
同样执行javac Demo.java，这次多生成了一个Demo$1.class，反编译查看代码
package inner;
class Demo$1 implements Runnable {
Demo$1(Demo var1) {
this.this$0 = var1;
}
public void run() {
}
}
可以看到匿名内部类和普通内部类实现基本一致，只是编译器自动给它拼了个名字，所以匿名内部类不能自定义构造器，因为名字编译完成后才能确定。
方法局部内部类，我这里就不赘述了，原理都是一样的，大家可以自行试验。
这样我们算是解答了第二个问题，来看第三个问题。
为什么匿名内部类使用到外部类方法中的局部变量时需要是final类型的？
这里先申明一下，这个问题本身是有问题的，问题在哪呢？因为java8中并不一定需要声明为final。我们来看个例子
// Demo.java
public void run() {
int age = 10;
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
int myAge = age + 1;
System.out.println(myAge);
}
};
}
匿名内部类对象runnable，使用了外部类方法中的age局部变量。编译运行完全没问题，而age并没有final修饰啊！
那我们再在run方法中，尝试修改age试试
public void run() {
int age = 10;
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
int myAge = age + 1;
System.out.println(myAge);
age = 20; // error
}
};
}
编译器报错了，提示信息是”age is access from inner class, need to be final or effectively final“。很显然编译器很智能，由于我们第一个例子并没有修改age的值，所以编译器认为这是effectively final，是安全的，可以编译通过，而第二个例子尝试修改age的值，编译器立马就报错了。
外部类变量是怎么传递给内部类的？
这里对于变量的类型分三种情况分别来说明
非final局部变量
我们去掉尝试修改age的代码，然后执行javac Demo.java，查看Demo$1.class的实现代码
package inner;
class Demo$1 implements Runnable {
Demo$1(Demo var1, int var2) {
this.this$0 = var1;
this.val$age = var2;
}
public void run() {
int var1 = this.val$age + 1;
System.out.println(var1);
}
}
可以看到对于非final局部变量，是通过构造器的方式传递进来的。
final局部变量
age修改为final
public void run() {
final int age = 10;
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
int myAge = age + 1;
System.out.println(myAge);
}
};
}
同样执行javac Demo.java，查看Demo$1.class的实现代码
class Demo$1 implements Runnable {
Demo$1(Demo var1) {
this.this$0 = var1;
}
public void run() {
byte var1 = 11;
System.out.println(var1);
}
}
可以看到编译器很聪明的做了优化，age是final的，所以在编译期间是确定的，直接将+1优化为11。
为了测试编译器的智商，我们把age的赋值修改一下，改为运行时才能确定的，看编译器如何应对
public void run() {
final int age = (int) System.currentTimeMillis();
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
int myAge = age + 1;
System.out.println(myAge);
}
};
}
再看Demo$1 字节码实现
class Demo$1 implements Runnable {
Demo$1(Demo var1, int var2) {
this.this$0 = var1;
this.val$age = var2;
}
public void run() {
int var1 = this.val$age + 1;
System.out.println(var1);
}
}
编译器意识到编译期age的值不能确定，所以还是采用构造器传参的形式实现。现代编译器还是很机智的。
外部类成员变量
将age改为Demo的成员变量，注意没有加任何修饰符，是包级访问级别。
public class Demo {
int age = 10;
public void run() {
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
int myAge = age + 1;
System.out.println(myAge);
age = 20;
}
};
}
}
javac Demo.java，查看匿名内部内的实现
class Demo$1 implements Runnable {
Demo$1(Demo var1) {
this.this$0 = var1;
}
public void run() {
int var1 = this.this$0.age + 1;
System.out.println(var1);
this.this$0.age = 20;
}
}
这一次编译器直接通过外部类的引用操作age，没毛病，由于age是包访问级别，所以这样是最高效的。
如果将age改为private，编译器会在Demo类中生成二个方法，分别用于读取age和设置age，篇幅关系，这种情况留给大家自行测试。
解答为何局部变量传递给匿名内部类需要是final?
通过上面的例子可以看到，不是一定需要局部变量是final的，但是你不能在匿名内部类中修改外部局部变量，因为Java对于匿名内部类传递变量的实现是基于构造器传参的，也就是说如果允许你在匿名内部类中修改值，你修改的是匿名内部类中的外部局部变量副本，最终并不会对外部类产生效果，因为已经是二个变量了。
这样就会让程序员产生困扰，原以为修改会生效，事实上却并不会，所以Java就禁止在匿名内部类中修改外部局部变量。
如何创建内部类实例，如何继承内部类？
由于内部类对象需要持有外部类对象的引用，所以必须得先有外部类对象
Demo.DemoRunnable demoRunnable = new Demo().new DemoRunnable();
那如何继承一个内部类呢，先给出示例
public class Demo2 extends Demo.DemoRunnable {
public Demo2(Demo demo) {
demo.super();
}
@Override
public void run() {
super.run();
}
}
必须在构造器中传入一个Demo对象，并且还需要调用demo.super();
看个例子
public class DemoKata {
public static void main(String[] args) {
Demo2 demo2 = new DemoKata().new Demo2(new Demo());
}
public class Demo2 extends Demo.DemoRunnable {
public Demo2(Demo demo) {
demo.super();
}
@Override
public void run() {
super.run();
}
}
}
由于Demo2也是一个内部类，所以需要先new一个DemoKata对象。
这一个问题描述的场景可能用的并不多，一般也不这么去用，这里提一下，大家知道有这么回事就行。
Lambda表达式是如何实现的？
Java8引入了Lambda表达式，一定程度上可以简化我们的代码，使代码结构看起来更优雅。做技术的还是要有刨根问底的那股劲，问问自己有没有想过Java中Lambda到底是如何实现的呢？
来看一个最简单的例子
public class Animal {
public void run(Runnable runnable) {
}
}
Animal类中定义了一个run方法，参数是一个Runnable对象，Java8以前，我们可以传入一个匿名内部类对象
run(new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
});
Java 8 之后编译器已经很智能的提示我们可以用Lambda表达式来替换。既然可以替换，那匿名内部类和Lambda表达式是不是底层实现是一样的呢，或者说Lambda表达式只是匿名内部类的语法糖呢？
要解答这个问题，我们还是要去字节码中找线索。通过前面的知识，我们知道javac Animal.java命令将类编译成class，匿名内部类的方式会产生一个额外的类。那用Lambda表达式会不会也会编译新类呢？我们试一下便知。
public void run(Runnable runnable) {
}
public void test() {
run(() -> {});
}
javac Animal.java，发现并没有生成额外的类！！！
我们继续使用javap -verbose Animal.class来查看Animal.class的字节码实现，重点关注test方法
public void test();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokedynamic #2, 0 // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
6: invokevirtual #3 // Method run:(Ljava/lang/Runnable;)V
9: return
SourceFile: "Demo.java"
InnerClasses:
public static final #34= #33 of #37; //Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles
BootstrapMethods:
0: #18 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
Method arguments:
#19 ()V
#20 invokestatic com/company/inner/Demo.lambda$test$0:()V
#19 ()V
发现test方法字节码中多了一个invokedynamic #2 0指令，这是java7引入的新指令，其中#2 指向
#2 = InvokeDynamic #0:#21 // #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
而0代表BootstrapMethods方法表中的第一个，java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory方法被调用。
BootstrapMethods:
0: #18 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
Method arguments:
#19 ()V
#20 invokestatic com/company/inner/Demo.lambda$test$0:()V
#19 ()V
这里面我们看到了com/company/inner/Demo.lambda0这么个东西，看起来跟我们的匿名内部类的名称有些类似，而且中间还有lambda，有可能就是我们要找的生成的类。
我们不妨验证下我们的想法，可以通过下面的代码打印出Lambda对象的真实类名。
public void run(Runnable runnable) {
System.out.println(runnable.getClass().getCanonicalName());
}
public void test() {
run(() -> {});
}
打印出runnable的类名，结果如下
com.company.inner.Demo$$Lambda$1/764977973
跟我们上面的猜测并不完全一致，我们继续找别的线索，既然我们有看到LambdaMetafactory.metafactory这个类被调用，不妨继续跟进看下它的实现
public static CallSite metafactory(MethodHandles.Lookup caller,
String invokedName,
MethodType invokedType,
MethodType samMethodType,
MethodHandle implMethod,
MethodType instantiatedMethodType)
throws LambdaConversionException {
AbstractValidatingLambdaMetafactory mf;
mf = new InnerClassLambdaMetafactory(caller, invokedType,
invokedName, samMethodType,
implMethod, instantiatedMethodType,
false, EMPTY_CLASS_ARRAY, EMPTY_MT_ARRAY);
mf.validateMetafactoryArgs();
return mf.buildCallSite();
}
内部new了一个InnerClassLambdaMetafactory对象。看名字很可疑，继续跟进
public InnerClassLambdaMetafactory(...)
throws LambdaConversionException {
//....
lambdaClassName = targetClass.getName().replace('.', '/') + "$$Lambda$" + counter.incrementAndGet();
cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
//....
}
省略了很多代码，我们重点看lambdaClassName这个字符串（通过名字就知道是干啥的），可以看到它的拼接结果跟我们上面打印的Lambda类名基本一致。而下面的ClassWriter也暴露了，其实Lambda运用的是Asm字节码技术，在运行时生成类文件。我感觉到这里就差不多了，再往下可能就有点太过细节了。-。-
Lambda实现总结
所以Lambda表达式并不是匿名内部类的语法糖，它是基于invokedynamic指令，在运行时使用ASM生成类文件来实现的。
写在最后
这可能是我迄今写的最长的一篇技术文章了，写的过程中也在不断的加深自己对知识点的理解，颠覆了很多以往的错误认知。写技术文章这条路我会一直坚持下去。
非常喜欢得到里面的一句slogan，胡适先生说的话。
怕什么真理无穷，进一寸有一寸的欢喜
共勉!