Java 8 Lambda實現原理分析

轉自：https://feiyeguohai.iteye.com/blog/1500108

爲了支持函數式編程，Java 8引入了Lambda表達式，那麼在Java 8中到底是如何實現Lambda表達式的呢? Lambda表達式經過編譯之後，到底會生成什麼東西呢? 在沒有深入分析前，讓我們先想一想，Java 8中每一個Lambda表達式必須有一個函數式接口與之對應，函數式接口與普通接口的區別，可以參考前面的內容，那麼你或許在想Lambda表達式是不是轉化成與之對應的函數式接口的一個實現類呢，然後通過多態的方式調用子類的實現呢，如下面代碼是一個Lambda表達式的樣例

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}
public class Lambda {   
    public static void PrintString(String s, Print<String> print) {
        print.print(s);
    }
    public static void main(String[] args) {
        PrintString("test", (x) -> System.out.println(x));
    }
}

按照上面的分析，理論上經過編譯器處理後，最終生成的代碼應該如下面所示：

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}

class Lambda$$0 implements Print<String> {
    @Override
    public void print(String x) {
        System.out.println(x);
    }
}

public class Lambda {   
    public static void PrintString(String s, 
            Print<String> print) {
        print.print(s);
    }
    public static void main(String[] args) {
        PrintString("test", new Lambda$$0());
    }
}

再或者是一個內部類實現，代碼如下所示：

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}
public class Lambda {   
    final class Lambda$$0 implements Print<String> {
        @Override
        public void print(String x) {
            System.out.println(x);
        }
    }  
    public static void PrintString(String s, 
            Print<String> print) {
        print.print(s);
    } 
    public static void main(String[] args) {
        PrintString("test", new Lambda().new Lambda$$0());
    }
}

異或是這種匿名內部類實現，代碼如下所示:

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}
public class Lambda {   
    public static void PrintString(String s, 
            Print<String> print) {
        print.print(s);
    }
    public static void main(String[] args) {
        PrintString("test", new Print<String>() {
            @Override
            public void print(String x) {
                System.out.println(x);
            }
        });
    }
}

上面的代碼，除了在代碼長度上長了點外，與用Lambda表達式實現的代碼運行結果是一樣的，那麼Java 8到底是用什麼方式實現的呢? 是不是上面三種實現方式中的一種呢，你也許覺的自已想的是對的，其實本來也就是對的，在Java 8中採用的是內部類來實現Lambda表達式

那麼Lambda表達式到底是如何實現的呢？

爲了探究Lambda表達式是如何實現的，就得需要研究Lambda表過式最終轉化成的字節碼文件，這就需要jdk的bin目錄下的一個字節碼查看工具及反編譯工具

javap -p Lambda.class

上面命令中的-p表示輸出所有類及成員，運行上面的命令後，得的結果如下所示:

Compiled from "Lambda.java"
public class Lambda {
  public Lambda();
  public static void PrintString(java.lang.String, Print<java.lang.String>);
  public static void main(java.lang.String[]);
  private static void lambda$0(java.lang.String);
}

由上面的代碼可以看出編譯器會根據Lambda表達式生成一個私有的靜態函數，注意，在這裏說的是生成，而不是等價

private static void lambda$0(java.lang.String);

爲了驗證上面的轉化是否正確? 我們在代碼中定義一個lambda$0這個的函數，最終代碼如下所示： 

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}

public class Lambda {   
    public static void PrintString(String s, 
            Print<String> print) {
        print.print(s);
    }
    private static void lambda$0(String s) {
    }
    public static void main(String[] args) {
        PrintString("test", (x) -> System.out.println(x));
    }
}

上面的代碼在編譯時不會報錯，但是運行時就會報錯，因爲存在兩個lambda$0函數，如下所示，是運行時的錯誤

Exception in thread "main" java.lang.ClassFormatError: Duplicate method name&signature in class file Lambda
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:760)
    at java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:142)
    at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:467)
    at java.net.URLClassLoader.access$100(URLClassLoader.java:73)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:368)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:362)
    at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
    at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:361)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
    at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:331)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    at sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:495)

通過javap對上述錯誤代碼進行反編譯，反編譯之後輸出的類的成員如下所示

Compiled from "Lambda.java"
public class Lambda {
  public Lambda();
  public static void PrintString(java.lang.String, Print<java.lang.String>);
  private static void lambda$0(java.lang.String);
  public static void main(java.lang.String[]);
  private static void lambda$0(java.lang.String);
}

會發現lambda$0出現了兩次，那麼在代碼運行的時候，就不知道去調用哪個，因此就會拋錯。

有了上面的內容，可以知道的是Lambda表達式在Java 8中首先會生成一個私有的靜態函數，這個私有的靜態函數乾的就是Lambda表達式裏面的內容,因此上面的代碼初步可以轉化成如下所示的代碼

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}
public class Lambda {   
    public static void PrintString(String s, Print<String> print) {
        print.print(s);
    }
    
    private static void lambda$0(String x) {
        System.out.println(x);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        PrintString("test", /**lambda expression**/);
    }
}

轉化成上面的形式之後，那麼如何實現調用靜態的lambda$0函數呢，在這裏可以在以下方法打上斷點，可以發現在有lambda表達式的地方，運行時會進入這個函數

 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();
}

在這個函數中可以發現爲Lambda表達式生成了一個內部類，爲了驗證是否生成內部類，可以在運行時加上-Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses，加上這個參數後，運行時，會將生成的內部類class碼輸出到一個文件中

final class Lambda$$Lambda$1 implements Print {
  private Lambda$$Lambda$1();
  public void print(java.lang.Object);
}

如果運行javap -c -p 則結果如下

final class Lambda$$Lambda$1 implements Print {
  private Lambda$$Lambda$1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #10                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public void print(java.lang.Object);
    Code:
       0: aload_1
       1: checkcast     #14                 // class java/lang/String
       4: invokestatic  #20                 // Method Lambda.lambda$0:(Ljava/lang/String;)V
       7: return
}

通過上面的字節碼指令可以發現實現上調用的是Lambda.lambda$0這個私有的靜態方法

因此最終的Lambda表達式等價於以下形式

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}
public class Lambda {   
    public static void PrintString(String s, Print<String> print) {
        print.print(s);
    }
    private static void lambda$0(String x) {
        System.out.println(x);
    }
    final class $Lambda$1 implements Print{
        @Override
        public void print(Object x) {
            lambda$0((String)x);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        PrintString("test", new Lambda().new $Lambda$1());
    }
}