Java的12个语法糖【转】

本文转载自公众号  Hollis

原创： 会反编译的 Hollis

侵权删

　　本文从 Java 编译原理角度，深入字节码及 class 文件，抽丝剥茧，了解 Java 中的语法糖原理及用法，帮助大家在学会如何使用 Java 语法糖的同时，了解这些语法糖背后的原理

 

语法糖

　　语法糖（Syntactic Sugar），也称糖衣语法，是由英国计算机学家 Peter.J.Landin 发明的一个术语，指在计算机语言中添加的某种语法，这种语法对语言的功能并没有影响，但是更方便程序员使用。简而言之，语法糖让程序更加简洁，有更高的可读性。有意思的是，在编程领域，除了语法糖，还有语法盐和语法糖精的说法，篇幅有限这里不做扩展了。

　　我们所熟知的编程语言中几乎都有语法糖。作者认为，语法糖的多少是评判一个语言够不够牛逼的标准之一。很多人说Java是一个“低糖语言”，其实从Java 7开始Java语言层面上一直在添加各种糖，主要是在“Project Coin”项目下研发。尽管现在Java有人还是认为现在的Java是低糖，未来还会持续向着“高糖”的方向发展。

 

解语法糖

　　前面提到过，语法糖的存在主要是方便开发人员使用。但其实，Java虚拟机并不支持这些语法糖。这些语法糖在编译阶段就会被还原成简单的基础语法结构，这个过程就是解语法糖。说到编译，大家肯定都知道，Java语言中，javac命令可以将后缀名为.java的源文件编译为后缀名为.class的可以运行于Java虚拟机的字节码。如果你去看com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler的源码，你会发现在compile()中有一个步骤就是调用desugar()，这个方法就是负责解语法糖的实现的。Java 中最常用的语法糖主要有泛型、变长参数、条件编译、自动拆装箱、内部类等。本文主要来分析下这些语法糖背后的原理。一步一步剥去糖衣，看看其本质。

 

糖块一、 switch 支持 String 与枚举

　　前面提到过，从Java 7 开始，Java语言中的语法糖在逐渐丰富，其中一个比较重要的就是Java 7中switch开始支持String。在开始coding之前先科普下，Java中的swith自身原本就支持基本类型。比如int、char等。对于int类型，直接进行数值的比较。对于char类型则是比较其ascii码。所以，对于编译器来说，switch中其实只能使用整型，任何类型的比较都要转换成整型。比如byte。short，char(ackii码是整型)以及int。

　　那么接下来看下switch对String得支持，有以下代码：

public class switchDemoString {
　　public static void main(String[] args) {

　　　　String str = "world";
　　　　switch (str) {
　　　　　　case "hello":
　　　　　　　　System.out.println("hello");
　　　　　　　　break;
　　　　　　case "world":
　　　　　　　　System.out.println("world");
　　　　　　　　break;
　　　　　　default:
　　　　　　　　break;
　　　　}

　　}
}

　　反编译后内容如下：

public class switchDemoString{
　　public switchDemoString(){}
　　public static void main(String args[]){

　　　　String str = "world";
　　　　String s;
　　　　switch((s = str).hashCode()){
　　　　　　default:
　　　　　　　　break;
　　　　　　case 99162322:
　　　　　　　　if(s.equals("hello"))
　　　　　　　　　　System.out.println("hello");
　　　　　　　　break;
　　　　　　case 113318802:
　　　　　　　　if(s.equals("world"))
　　　　　　　　　　System.out.println("world");
　　　　　　　　break;
　　　　}

　　}
}

　　看到这个代码，你知道原来字符串的switch是通过equals()和hashCode()方法来实现的。还好hashCode()方法返回的是int，而不是long。仔细看下可以发现，进行switch的实际是哈希值，然后通过使用equals方法比较进行安全检查，这个检查是必要的，因为哈希可能会发生碰撞。因此它的性能是不如使用枚举进行switch或者使用纯整数常量，但这也不是很差。

 

糖块二、 泛型

　　我们都知道，很多语言都是支持泛型的，但是很多人不知道的是，不同的编译器对于泛型的处理方式是不同的。

　　通常情况下，一个编译器处理泛型有两种方式：Code specialization和Code sharing。C++和C#是使用Code specialization的处理机制，而Java使用的是Code sharing的机制。

　　Code sharing方式为每个泛型类型创建唯一的字节码表示，并且将该泛型类型的实例都映射到这个唯一的字节码表示上。将多种泛型类形实例映射到唯一的字节码表示是通过类型擦除（type erasue）实现的。也就是说，对于Java虚拟机来说，他根本不认识Map map这样的语法。需要在编译阶段通过类型擦除的方式进行解语法糖。

类型擦除的主要过程如下：

•  1.将所有的泛型参数用其最左边界（最顶级的父类型）类型替换。

•  2.移除所有的类型参数。

　　以下代码：

Map map = new HashMap();  
map.put("name", "hollis");  
map.put("wechat", "Hollis");  
map.put("blog", "www.hollischuang.com"); 

　　解语法糖之后会变成：

Map map = new HashMap();  
map.put("name", "hollis");  
map.put("wechat", "Hollis");  
map.put("blog", "www.hollischuang.com");  

　　以下代码：

public static extends Comparable> A max(Collection xs) {

    Iterator xi = xs.iterator();
    A w = xi.next();
while (xi.hasNext()) {
        A x = xi.next();
        if (w.compareTo(x) < 0)
            w = x;
    }
    return w;
}

　　类型擦除后会变成：

public static Comparable max(Collection xs){
    Iterator xi = xs.iterator();
    Comparable w = (Comparable)xi.next();
    while(xi.hasNext()){
        Comparable x = (Comparable)xi.next();
        if(w.compareTo(x) < 0)
            w = x;
    }
    return w;
}

　　虚拟机中没有泛型，只有普通类和普通方法，所有泛型类的类型参数在编译时都会被擦除，泛型类并没有自己独有的Class类对象。比如并不存在List.class或是List.class，而只有List.class。

 

糖块三、 自动装箱与拆箱

　　自动装箱就是Java自动将原始类型值转换成对应的对象，比如将int的变量转换成Integer对象，这个过程叫做装箱，反之将Integer对象转换成int类型值，这个过程叫做拆箱。参考：一文读懂什么是Java中的自动拆装箱

　　因为这里的装箱和拆箱是自动进行的非人为转换，所以就称作为自动装箱和拆箱。原始类型byte, short, char, int, long, float, double 和 boolean 对应的封装类为Byte, Short, Character, Integer, Long, Float, Double, Boolean。

　　先来看个自动装箱的代码：

 public static void main(String[] args) {
    int i = 10;
    Integer n = i;
}

　　反编译后代码如下:

public static void main(String args[]){
    int i = 10;
    Integer n = Integer.valueOf(i);
}

　　再来看个自动拆箱的代码：

public static void main(String[] args) {
    Integer i = 10;
    int n = i;
}

　　反编译后代码如下：

public static void main(String args[]){
    Integer i = Integer.valueOf(10);
    int n = i.intValue();
}

　　从反编译得到内容可以看出，在装箱的时候自动调用的是Integer的valueOf(int)方法。而在拆箱的时候自动调用的是Integer的intValue方法。所以，装箱过程是通过调用包装器的valueOf方法实现的，而拆箱过程是通过调用包装器的 xxxValue方法实现的。

 

糖块四 、 方法变长参数

　　可变参数(variable arguments)是在Java 1.5中引入的一个特性。它允许一个方法把任意数量的值作为参数。

　　看下以下可变参数代码，其中print方法接收可变参数：

public static void main(String[] args){
　　print("Holis", "公众号:Hollis", "博客：www.hollischuang.com", "QQ：907607222");
}

public static void print(String... strs){
　　for (int i = 0; i < strs.length; i++){
　　　　System.out.println(strs[i]);
　　}
}

　　反编译后代码：

public static void main(String args[]){
　　print(new String[] {
　　　　"Holis", "公众号:Hollis", "博客：www.hollischuang.com", "QQ：907607222"
　　});
}

public static transient void print(String strs[]){
　　for(int i = 0; i < strs.length; i++)
　　　　System.out.println(strs[i]);

}

　　从反编译后代码可以看出，可变参数在被使用的时候，他首先会创建一个数组，数组的长度就是调用该方法是传递的实参的个数，然后再把参数值全部放到这个数组当中，然后再把这个数组作为参数传递到被调用的方法中。

 

糖块五 、 枚举

　　Java SE5提供了一种新的类型-Java的枚举类型，关键字enum可以将一组具名的值的有限集合创建为一种新的类型，而这些具名的值可以作为常规的程序组件使用，这是一种非常有用的功能。参考：Java的枚举类型用法介绍

　　要想看源码，首先得有一个类吧，那么枚举类型到底是什么类呢？是enum吗？答案很明显不是，enum就和class一样，只是一个关键字，他并不是一个类。那么枚举是由什么类维护的呢，我们简单的写一个枚举：

public enum t {
    SPRING,SUMMER;
}

　　然后我们使用反编译，看看这段代码到底是怎么实现的，反编译后代码内容如下：

public final class T extends Enum{
    private T(String s, int i){
        super(s, i);
    }
    public static T[] values(){
        T at[];
        int i;
        T at1[];
        System.arraycopy(at = ENUM$VALUES, 0, at1 = new T[i = at.length], 0, i);
        return at1;
    }

    public static T valueOf(String s){
        return (T)Enum.valueOf(demo/T, s);
    }

    public static final T SPRING;
    public static final T SUMMER;
    private static final T ENUM$VALUES[];
    static{
        SPRING = new T("SPRING", 0);
        SUMMER = new T("SUMMER", 1);
        ENUM$VALUES = (new T[] {SPRING, SUMMER});
    }
}

　　通过反编译后代码我们可以看到，public final class T extends Enum，说明，该类是继承了Enum类的，同时final关键字告诉我们，这个类也是不能被继承的。当我们使用enmu来定义一个枚举类型的时候，编译器会自动帮我们创建一个final类型的类继承Enum类，所以枚举类型不能被继承。

 

糖块六 、 内部类

　　内部类又称为嵌套类，可以把内部类理解为外部类的一个普通成员。内部类之所以也是语法糖，是因为它仅仅是一个编译时的概念。outer.java里面定义了一个内部类inner，一旦编译成功，就会生成两个完全不同的.class文件了，分别是outer.class和outer$inner.class。所以内部类的名字完全可以和它的外部类名字相同。

public class OutterClass {
    private String userName;

    public String getUserName() {
        return userName;
    }

    public void setUserName(String userName) {
        this.userName = userName;
    }

    public static void main(String[] args) {

    }

    class InnerClass{
        private String name;

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
    }
}

　　以上代码编译后会生成两个class文件：OutterClass$InnerClass.class 、OutterClass.class 。当我们尝试使用jad对OutterClass.class文件进行反编译的时候，命令行会打印以下内容：

Parsing OutterClass.class...
Parsing inner class OutterClass$InnerClass.class...
Generating OutterClass.jad

　　他会把两个文件全部进行反编译，然后一起生成一个OutterClass.jad文件。文件内容如下：

public class OutterClass{
class InnerClass{
        public String getName(){
            return name;
        }
        public void setName(String name){
            this.name = name;
        }
        private String name;
        final OutterClass this$0;

        InnerClass(){
            this.this$0 = OutterClass.this;
            super();
        }
    }

    public OutterClass(){}
    public String getUserName(){
        return userName;
    }
    public void setUserName(String userName){
        this.userName = userName;
    }
    public static void main(String args1[]){}
    private String userName;
}

 

糖块七 、条件编译

　　—般情况下，程序中的每一行代码都要参加编译。但有时候出于对程序代码优化的考虑，希望只对其中一部分内容进行编译，此时就需要在程序中加上条件，让编译器只对满足条件的代码进行编译，将不满足条件的代码舍弃，这就是条件编译。如在C或CPP中，可以通过预处理语句来实现条件编译。其实在Java中也可实现条件编译。我们先来看一段代码：

public class ConditionalCompilation {
　　public static void main(String[] args) {
　　　　final boolean DEBUG = true;
　　　　if(DEBUG) {
　　　　　　System.out.println("Hello, DEBUG!");
　　　　}

　　　　final boolean ONLINE = false;
　　　　if(ONLINE){
　　　　　　System.out.println("Hello, ONLINE!");
　　　　}
　　}
}

　　反编译后代码如下：

public class ConditionalCompilation{

    public ConditionalCompilation(){}

    public static void main(String args[]){
        boolean DEBUG = true;
        System.out.println("Hello, DEBUG!");
        boolean ONLINE = false;
    }
}

　　首先，我们发现，在反编译后的代码中没有System.out.println("Hello, ONLINE!");，这其实就是条件编译。当if(ONLINE)为false的时候，编译器就没有对其内的代码进行编译。所以，Java语法的条件编译，是通过判断条件为常量的if语句实现的。根据if判断条件的真假，编译器直接把分支为false的代码块消除。通过该方式实现的条件编译，必须在方法体内实现，而无法在正整个Java类的结构或者类的属性上进行条件编译。这与C/C++的条件编译相比，确实更有局限性。在Java语言设计之初并没有引入条件编译的功能，虽有局限，但是总比没有更强。

 

糖块八 、 断言

　　在Java中，assert关键字是从JAVA SE 1.4 引入的，为了避免和老版本的Java代码中使用了assert关键字导致错误，Java在执行的时候默认是不启动断言检查的（这个时候，所有的断言语句都将忽略！）。如果要开启断言检查，则需要用开关-enableassertions或-ea来开启。

　　看一段包含断言的代码：

public class AssertTest {
    public static void main(String args[]) {
        int a = 1;
        int b = 1;
        assert a == b;
        System.out.println("公众号：Hollis");
        assert a != b : "Hollis";
        System.out.println("博客：www.hollischuang.com");
    }
}

　　反编译后代码如下：

public class AssertTest {
　　public AssertTest(){}
　　public static void main(String args[]){
　　　　int a = 1;
　　　　int b = 1;
　　　　if(!$assertionsDisabled && a != b)
　　　　　　throw new AssertionError();

　　　　System.out.println("公众号：Hollis");
　　　　if(!$assertionsDisabled && a == b){
　　　　　　throw new AssertionError("Hollis");
　　　　}else{
　　　　　　System.out.println("博客：www.hollischuang.com");
　　　　　　return;
　　　　}
　　}

　　static final boolean $assertionsDisabled = !com/hollis/suguar/AssertTest.desiredAssertionStatus();

}

　　很明显，反编译之后的代码要比我们自己的代码复杂的多。所以，使用了assert这个语法糖我们节省了很多代码。其实断言的底层实现就是if语言，如果断言结果为true，则什么都不做，程序继续执行，如果断言结果为false，则程序抛出AssertError来打断程序的执行。-enableassertions会设置$assertionsDisabled字段的值。

 

糖块九 、 数值字面量

　　在java 7中，数值字面量，不管是整数还是浮点数，都允许在数字之间插入任意多个下划线。这些下划线不会对字面量的数值产生影响，目的就是方便阅读。

　　比如：

public class Test {
　　public static void main(String... args) {
　　　　int i = 10_000;
　　　　System.out.println(i);
　　}
}

　　反编译后：

public class Test{
　　public static void main(String[] args)
　　{
　　　　int i = 10000;
　　　　System.out.println(i);
　　}
}

　　反编译后就是把_删除了。也就是说编译器并不认识在数字字面量中的_，需要在编译阶段把他去掉。

 

糖块十 、 for-each

　　增强for循环（for-each）相信大家都不陌生，日常开发经常会用到的，他会比for循环要少写很多代码，那么这个语法糖背后是如何实现的呢？

public static void main(String... args) {
    String[] strs = {"Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com"};
    for (String s : strs) {
        System.out.println(s);
    }
    List strList = ImmutableList.of("Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
    for (String s : strList) {
        System.out.println(s);
    }
}

　　反编译后代码如下：

public static transient void main(String args[]){
　　String strs[] = { "Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com" };
　　String args1[] = strs;
　　int i = args1.length;
　　for(int j = 0; j < i; j++){
　　　　String s = args1[j];
　　　　System.out.println(s);
　　}

　　List strList = ImmutableList.of("Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
　　String s;
　　for(Iterator iterator = strList.iterator(); iterator.hasNext(); System.out.println(s))
　　　　s = (String)iterator.next();

}

　　代码很简单，for-each的实现原理其实就是使用了普通的for循环和迭代器。

 

糖块十一 、 try-with-resource

 

　　Java里，对于文件操作IO流、数据库连接等开销非常昂贵的资源，用完之后必须及时通过close方法将其关闭，否则资源会一直处于打开状态，可能会导致内存泄露等问题。关闭资源的常用方式就是在finally块里是释放，即调用close方法。比如，我们经常会写这样的代码：

public static void main(String[] args) {
    BufferedReader br = null;
    try {
        String line;
        br = new BufferedReader(new FileReader("d:\hollischuang.xml"));
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            System.out.println(line);
        }
    } catch (IOException e) {
        // handle exception
    } finally {
        try {
            if (br != null) {
                br.close();
            }
        } catch (IOException ex) {
            // handle exception
        }
    }
} 

　　从Java 7开始，jdk提供了一种更好的方式关闭资源，使用try-with-resources语句，改写一下上面的代码，效果如下：

public static void main(String... args) {
    try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("d:\ hollischuang.xml"))) {
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            System.out.println(line);
        }
    } catch (IOException e) {
        // handle exception
    }
} 

　　看，这简直是一大福音啊，虽然我之前一般使用IOUtils去关闭流，并不会使用在finally中写很多代码的方式，但是这种新的语法糖看上去好像优雅很多呢。

　　反编译以上代码，看下他的背后原理：

public static transient void main(String args[]){

        BufferedReader br;
        Throwable throwable;
        br = new BufferedReader(new FileReader("d:\ hollischuang.xml"));
        throwable = null;
        String line;
try{
            while((line = br.readLine()) != null)
                System.out.println(line);
        }
catch(Throwable throwable2){
            throwable = throwable2;
            throw throwable2;
        }
if(br != null)
if(throwable != null)
                try{
                    br.close();
                }
                catch(Throwable throwable1){
                    throwable.addSuppressed(throwable1);
                }
            else
                br.close();
break MISSING_BLOCK_LABEL_113;
            Exception exception;
            exception;
if(br != null)
                if(throwable != null)
                    try{
                        br.close();
                    }
                    catch(Throwable throwable3){
                        throwable.addSuppressed(throwable3);
                    }
                else
                    br.close();
throw exception;
        IOException ioexception;
        ioexception;
    }
}

　　其实背后的原理也很简单，那些我们没有做的关闭资源的操作，编译器都帮我们做了。所以，再次印证了，语法糖的作用就是方便程序员的使用，但最终还是要转成编译器认识的语言。

 

糖块十二、Lambda表达式

　　关于lambda表达式，有人可能会有质疑，因为网上有人说他并不是语法糖。其实我想纠正下这个说法。Labmda表达式不是匿名内部类的语法糖，但是他也是一个语法糖。实现方式其实是依赖了几个JVM底层提供的lambda相关api。

　　先来看一个简单的lambda表达式。遍历一个list：

public static void main(String... args) {
    List strList = ImmutableList.of("Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
    strList.forEach( s -> { System.out.println(s); } );
} 

　　为啥说他并不是内部类的语法糖呢，前面讲内部类我们说过，内部类在编译之后会有两个class文件，但是，包含lambda表达式的类编译后只有一个文件。

　　反编译后代码如下:

public static /* varargs */ void main(String ... args) {
    ImmutableList strList = ImmutableList.of((Object)"Hollis", (Object)"公众号：Hollis", (Object)"博客：www.hollischuang.com");
    strList.forEach((Consumer)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)V, lambda$main$0(java.lang.String ), (Ljava/lang/String;)V)());
}

private static /* synthetic */ void lambda$main$0(String s) {
    System.out.println(s);
}

　　可以看到，在forEach方法中，其实是调用了java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metafactory方法，该方法的第四个参数implMethod指定了方法实现。可以看到这里其实是调用了一个lambda$main$0方法进行了输出。

　　再来看一个稍微复杂一点的，先对List进行过滤，然后再输出：

public static void main(String... args) {
    List strList = ImmutableList.of("Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");

    List HollisList = strList.stream().filter(string -> string.contains("Hollis")).collect(Collectors.toList());

    HollisList.forEach( s -> { System.out.println(s); } );
} 

　　反编译后代码如下：

public static /* varargs */ void main(String ... args) {
    ImmutableList strList = ImmutableList.of((Object)"Hollis", (Object)"公众号：Hollis", (Object)"博客：www.hollischuang.com");
    List