引用 -> Java Lambda表达式 实现原理分析
引用 -> java8 探讨与分析匿名内部类、lambda表达式、方法引用的底层实现
如何使用函数式编程
-
定义函数式接口
@FunctionalInterface public interface Flyable { void fly(); } -
Demo
public class LambdaTest { public static void main(String[] args) { Flyable flyable = () -> System.out.println("飞起来了"); flyable.fly(); } } -
编译
javac -encoding utf-8 LambdaTest.javaimage -
运行
java LambdaTest
image
Lambda 实现方式
- 反编译 : Flyable.class
javap -p Flyable.class
image
- 反编译 : LambdaTest.class
javap -p LambdaTest.class
image
由此可见 : 自动生成了 private static void lambda0();
-
查看反编译细节 : LambdaTest.class
javap -p -v LambdaTest.classClassfile LambdaTest.class Last modified 2021-1-23; size 998 bytes MD5 checksum 49cbf38c127aef6ab71674fd641638a2 Compiled from "LambdaTest.java" public class LambdaTest minor version: 0 major version: 52 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool: #1 = Methodref #8.#18 // java/lang/Object."":()V #2 = InvokeDynamic #0:#23 // #0:fly:()LFlyable; #3 = InterfaceMethodref #24.#25 // Flyable.fly:()V #4 = Fieldref #26.#27 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; #5 = String #28 // 飞起来了 #6 = Methodref #29.#30 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V #7 = Class #31 // LambdaTest #8 = Class #32 // java/lang/Object #9 = Utf8 #10 = Utf8 ()V #11 = Utf8 Code #12 = Utf8 LineNumberTable #13 = Utf8 main #14 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V #15 = Utf8 lambda$main$0 #16 = Utf8 SourceFile #17 = Utf8 LambdaTest.java #18 = NameAndType #9:#10 // " ":()V #19 = Utf8 BootstrapMethods #20 = MethodHandle #6:#33 // invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/ invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite; #21 = MethodType #10 // ()V #22 = MethodHandle #6:#34 // invokestatic LambdaTest.lambda$main$0:()V #23 = NameAndType #35:#36 // fly:()LFlyable; #24 = Class #37 // Flyable #25 = NameAndType #35:#10 // fly:()V #26 = Class #38 // java/lang/System #27 = NameAndType #39:#40 // out:Ljava/io/PrintStream; #28 = Utf8 飞起来了 #29 = Class #41 // java/io/PrintStream #30 = NameAndType #42:#43 // println:(Ljava/lang/String;)V #31 = Utf8 LambdaTest #32 = Utf8 java/lang/Object #33 = Methodref #44.#45 // java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/Method Handle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite; #34 = Methodref #7.#46 // LambdaTest.lambda$main$0:()V #35 = Utf8 fly #36 = Utf8 ()LFlyable; #37 = Utf8 Flyable #38 = Utf8 java/lang/System #39 = Utf8 out #40 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; #41 = Utf8 java/io/PrintStream #42 = Utf8 println #43 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V #44 = Class #47 // java/lang/invoke/LambdaMetafactory #45 = NameAndType #48:#52 // metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType ;)Ljava/lang/invoke/CallSite; #46 = NameAndType #15:#10 // lambda$main$0:()V #47 = Utf8 java/lang/invoke/LambdaMetafactory #48 = Utf8 metafactory #49 = Class #54 // java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup #50 = Utf8 Lookup #51 = Utf8 InnerClasses #52 = Utf8 (Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite; #53 = Class #55 // java/lang/invoke/MethodHandles #54 = Utf8 java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup #55 = Utf8 java/lang/invoke/MethodHandles { public LambdaTest(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object." ":()V 4: return LineNumberTable: line 6: 0 public static void main(java.lang.String[]); descriptor: ([Ljava/lang/String;)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code: stack=1, locals=2, args_size=1 0: invokedynamic #2, 0 // InvokeDynamic #0:fly:()LFlyable; 5: astore_1 6: aload_1 7: invokeinterface #3, 1 // InterfaceMethod Flyable.fly:()V 12: return LineNumberTable: line 9: 0 line 10: 6 line 11: 12 private static void lambda$main$0(); descriptor: ()V flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_SYNTHETIC Code: stack=2, locals=0, args_size=0 0: getstatic #4 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 3: ldc #5 // String 飞起来了 5: invokevirtual #6 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 8: return LineNumberTable: line 9: 0 } SourceFile: "LambdaTest.java" InnerClasses: public static final #50= #49 of #53; //Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles BootstrapMethods: 0: #20 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invok e/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite; Method arguments: #21 ()V #22 invokestatic LambdaTest.lambda$main$0:()V #21 ()V -
将生成的内部类class保存下来
java -Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses LambdaTestimport java.lang.invoke.LambdaForm.Hidden; // $FF: synthetic class final class LambdaTest$$Lambda$1 implements Flyable { private LambdaTest$$Lambda$1() { } @Hidden public void fly() { LambdaTest.lambda$main$0(); } } -
小结
- 在类编译时，会生成一个私有静态方法+一个内部类；
- 在内部类中实现了函数式接口，在实现接口的方法中，会调用编译器生成的静态方法；
- 在使用lambda表达式的地方，通过传递内部类实例，来调用函数式接口方法。
匿名内部类 实现方式
- 实现匿名内部类
public class LambdaTest {
public static void main(String[] args) {
Flyable flyable = new Flyable() {
@Override
public void fly() {
System.out.println("飞起来了");
}
};
flyable.fly();
}
}
-
编译 LambdaTest
javac -encoding utf-8 LambdaTest.java可以看到,在编译期就生成了匿名内部类的class文件
image
-
反编译匿名内部类的class文件
javap -p LambdaTest$1.classCompiled from "LambdaTest.java" final class LambdaTest$1 implements Flyable { LambdaTest$1(); public void fly(); }
两种实现方式的总结
| 方式 | javac编译 | javap反编译 | jvm调参并第二次编译 (运行) |
|---|---|---|---|
| 匿名内部类 | 额外生成class | 未见invoke dynamic指令 |
无变化 |
| lambda表达式 | 未生成class，但额外生成了一个static的方法 | 发现invoke dynamic |
发现额外的class |
对于lambda表达式，为什么java8要这样做？
下面的译本，原文Java-8-Lambdas-A-Peek-Under-the-Hood
匿名内部类具有可能影响应用程序性能的不受欢迎的特性。
- 编译器为每个匿名内部类生成一个新的类文件。生成许多类文件是不可取的，因为每个类文件在使用之前都需要加载和验证，这会影响应用程序的启动性能。加载可能是一个昂贵的操作，包括磁盘I/O和解压缩JAR文件本身。
- 如果lambdas被转换为匿名内部类，那么每个lambda都有一个新的类文件。由于每个匿名内部类都将被加载，它将占用JVM的元空间(这是Java 8对永久生成的替代)。如果JVM将每个此类匿名内部类中的代码编译为机器码，那么它将存储在代码缓存中。此外，这些匿名内部类将被实例化为单独的对象。因此，匿名内部类会增加应用程序的内存消耗。为了减少所有这些内存开销，引入一种缓存机制可能是有帮助的，这将促使引入某种抽象层。
- 最重要的是，从第一天开始就选择使用匿名内部类来实现lambdas，这将限制未来lambda实现更改的范围，以及它们根据未来JVM改进而演进的能力。
- 将lambda表达式转换为匿名内部类将限制未来可能的优化(例如缓存)，因为它们将绑定到匿名内部类字节码生成机制。
基于以上4点，lambda表达式的实现不能直接在编译阶段就用匿名内部类实现
，而是需要一个稳定的二进制表示，它提供足够的信息，同时允许JVM在未来采用其他可能的实现策略。
解决上述解释的问题，Java语言和JVM工程师决定将翻译策略的选择推迟到运行时。Java 7 中引入的新的 invokedynamic 字节码指令为他们提供了一种高效实现这一目标的机制。将lambda表达式转换为字节码需要两个步骤:
- 生成
invokedynamic调用站点 ( 称为lambda工厂 )，当调用该站点时，返回一个函数接口实例，lambda将被转换到该接口; - 将lambda表达式的主体转换为将通过invokedynamic指令调用的方法。
课外
- 试试运行这个 LambdaTest
import java.util.Random;
public class LambdaTest {
public static void printString(String s, Integer i, Print print) {
print.print(s, i);
}
public static void printCount(Count count) {
String sss = count.count();
System.out.println("sss = " + sss);
}
public static void main(String[] args) {
printString("testPrint1", 1, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint2", 2, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint3", 3, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint4", 4, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint5", 5, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint6", 6, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint7", 7, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint8", 8, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint9", 9, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint10", 10, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint11", 11, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint12", 12, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint13", 13, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint14", 14, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint15", 15, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printString("testPrint16", 16, (s, ii) -> System.out.println(s + ii));
printCount(() -> "testCount" + 1);
Random random = new Random();
printCount(() -> String.valueOf(random.nextInt(1000000)));
printCount(() -> String.valueOf(random.nextInt(1000000)));
printCount(() -> String.valueOf(random.nextInt(1000000)));
printCount(() -> String.valueOf(random.nextInt(1000000)));
printCount(() -> String.valueOf(random.nextInt(1000000)));
Print print_2_1 = new Print() {
@Override
public void print(String x, Integer o) {
System.out.println(x + o);
}
};
print_2_1.print("print_2_1", 20);
Count count_2_1 = new Count() {
@Override
public String count() {
return String.valueOf(random.nextInt(1000000));
}
};
count_2_1.count();
}
@FunctionalInterface
interface Print {
void print(T x, E e);
}
@FunctionalInterface
interface Count {
T count();
}
}
- 编译 & 运行
# 编译
javac -encoding utf-8 LambdaTest.java
# 运行
java -Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses LambdaTest
image