Java 8 动态类型语言Lambda表达式实现原理分析

Java 8支持动态语言，看到了很酷的Lambda表达式，对一直以静态类型语言自居的Java，让人看到了Java虚拟机可以支持动态语言的目标。

import java.util.function.Consumer;

public class Lambda {
	public static void main(String[] args) {
		Consumer c = s -> System.out.println(s);
		c.accept("hello lambda!");
	}
}

刚看到这个表达式，感觉java的处理方式是属于内部匿名类的方式

public class Lambda {
	static {
		System.setProperty("jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses", ".");
	}
	public static void main(String[] args) {
		Consumer c = new Consumer(){
			@Override
			public void accept(String s) {
				System.out.println(s);
			}
			};
		c.accept("hello lambda");
	}
}

编译的结果应该是Lambda.class , Lambda$1.class 猜测在支持动态语言java换汤不换药，在最后编译的时候生成我们常见的方式。

但是结果不是这样的，只是产生了一个Lambda.class 

反编译吧，来看看真相是什么？

javap -v -p Lambda.class 

注意  -p 这个参数 -p 参数会显示所有的方法，而不带默认是不会反编译private 的方法的

  public Lambda();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #21                 // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   LLambda;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: invokedynamic #30,  0             // InvokeDynamic #0:accept:()Ljava/util/function/Consumer;
         5: astore_1
         6: aload_1
         7: ldc           #31                 // String hello lambda
         9: invokeinterface #33,  2           // InterfaceMethod java/util/function/Consumer.accept:(Ljava/lang/Object;)V
        14: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
        line 9: 6
        line 10: 14
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      15     0  args   [Ljava/lang/String;
            6       9     1     c   Ljava/util/function/Consumer;
      LocalVariableTypeTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            6       9     1     c   Ljava/util/function/Consumer;

  private static void lambda$0(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_SYNTHETIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #46                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: aload_0
         4: invokevirtual #50                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         7: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       8     0     s   Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "Lambda.java"
BootstrapMethods:
  0: #66 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$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:
      #67 (Ljava/lang/Object;)V
      #70 invokestatic Lambda.lambda$0:(Ljava/lang/String;)V
      #71 (Ljava/lang/String;)V
InnerClasses:
     public static final #77= #73 of #75; //Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles

在这里我们发现了几个与我们常见的java不太一样的地方，由于常量定义太多了，文章中就不贴出了

1. Invokedynamic 指令

Java的调用函数的四大指令（invokevirtual、invokespecial、invokestatic、invokeinterface)，通常方法的符号引用在静态类型语言编译时就能产生，而动态类型语言只有在运行期才能确定接收者类型，改变四大指令的语意对java的版本有很大的影响，所以在JSR 292 《Supporting Dynamically Typed Languages on the Java Platform》添加了一个新的指令

Invokedynamic

0: invokedynamic #30,  0             // InvokeDynamic #0:accept:()Ljava/util/function/Consumer;

 #30 是代表常量#30 也就是后面的注释InvokeDynamic #0:accept:()Ljava/util/function/Consumer;
0 是占位符号，目前无用

2. BootstrapMethods

每一个invokedynamic指令的实例叫做一个动态调用点(dynamic call site), 动态调用点最开始是 未链接状态(unlinked:表示还未指定该调用点要调用的方法), 动态调用点依靠引导方法来链接到具体的方法.  引导方法是由编译器生成, 在运行期当JVM第一次遇到invokedynamic指令时, 会调用引导方法来将invokedynamic指令所指定的名字(方法名,方法签名)和具体的执行代码(目标方法)链接起来, 引导方法的返回值永久的决定了调用点的行为.引导方法的返回值类型是java.lang.invoke.CallSite, 一个invokedynamic指令关联一个CallSite, 将所有的调用委托到CallSite当前的target(MethodHandle)

InvokeDynamic #0 就是BootstrapMethods表示#0的位置

  0: #66 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:
      #67 (Ljava/lang/Object;)V
      #70 invokestatic Lambda.lambda$0:(Ljava/lang/String;)V
      #71 (Ljava/lang/String;)V

我们看到调用了LambdaMetaFactory.metafactory 的方法

参数:

LambdaMetafactory.metafactory(Lookup, String, MethodType, MethodType, MethodHandle, MethodType)有六个参数, 按顺序描述如下
1. MethodHandles.Lookup caller : 代表查找上下文与调用者的访问权限, 使用invokedynamic指令时, JVM会自动自动填充这个参数

2. String invokedName : 要实现的方法的名字, 使用invokedynamic时, JVM自动帮我们填充(填充内容来自常量池InvokeDynamic.NameAndType.Name), 在这里JVM为我们填充为 "apply", 即Consumer.accept方法名.

3. MethodType invokedType : 调用点期望的方法参数的类型和返回值的类型(方法signature). 使用invokedynamic指令时, JVM会自动自动填充这个参数(填充内容来自常量池InvokeDynamic.NameAndType.Type), 在这里参数为String, 返回值类型为Consumer, 表示这个调用点的目标方法的参数为String, 然后invokedynamic执行完后会返回一个即Consumer实例.

4. MethodType samMethodType :  函数对象将要实现的接口方法类型, 这里运行时, 值为 (Object)Object 即 Consumer.accept方法的类型(泛型信息被擦除).#67 (Ljava/lang/Object;)V

5. MethodHandle implMethod : 一个直接方法句柄(DirectMethodHandle), 描述在调用时将被执行的具体实现方法 (包含适当的参数适配, 返回类型适配, 和在调用参数前附加上捕获的参数), 在这里为 #70 invokestatic Lambda.lambda$0:(Ljava/lang/String;)V 方法的方法句柄.

6. MethodType instantiatedMethodType : 函数接口方法替换泛型为具体类型后的方法类型, 通常和 samMethodType 一样, 不同的情况为泛型:
比如函数接口方法定义为 void accept(T t)  T为泛型标识, 这个时候方法类型为(Object)Void,  在编译时T已确定, 即T由String替换, 这时samMethodType就是 (Object)Void, 而instantiatedMethodType为(String)Void.
第4, 5, 6 三个参数来自class文件中的. 如上面引导方法字节码中Method arguments后面的三个参数就是将应用于4, 5, 6的参数.

  Method arguments:
      #67 (Ljava/lang/Object;)V
      #70 invokestatic Lambda.lambda$0:(Ljava/lang/String;)V
      #71 (Ljava/lang/String;)V

我们来看metafactory 的方法里的实现代码

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();
    }

在buildCallSite的函数中

CallSite buildCallSite() throws LambdaConversionException {
        final Class innerClass = spinInnerClass();

函数spinInnerClass 构建了这个内部类，也就是生成了一个Lambda$$Lambda$1/716157500 这样的内部类,这个类是在运行的时候构建的，并不会保存在磁盘中，如果想看到这个构建的类，可以通过设置环境参数

System.setProperty("jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses", ".");

会在你指定的路径 . 当前运行路径上生成这个内部类

3.静态类

Java在编译表达式的时候会生成lambda$0静态私有类，在这个类里实现了表达式中的方法块 system.out.println(s);

private static void lambda$0(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_SYNTHETIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #46                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: aload_0
         4: invokevirtual #50                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         7: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       8     0     s   Ljava/lang/String;

当然了在上一步通过设置的jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses里生成的Lambda$$Lambda$1.class

 public void accept(java.lang.Object);
    descriptor: (Ljava/lang/Object;)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=2
         0: aload_1
         1: checkcast     #15                 // class java/lang/String
         4: invokestatic  #21                 // Method Lambda.lambda$0:(Ljava/lang/String;)V
         7: return
    RuntimeVisibleAnnotations:
      0: #13()

调用了Lambda.lambda$0静态函数，也就是表达式中的函数块

总结

这样就完成的实现了Lambda表达式，使用invokedynamic指令，运行时调用LambdaMetafactory.metafactory动态的生成内部类，实现了接口，内部类里的调用方法块并不是动态生成的，只是在原class里已经编译生成了一个静态的方法，内部类只需要调用该静态方法