Java8學習筆記（4） -- Lambda表達式實現方式

前幾篇文章討論了函數式接口和Lambda表達式語法、invokedynamic指令，以及Groovy2如何利用indy指令。本篇文章在前面幾篇的基礎之上，簡要介紹Java8底層是如何實現Lambda表達式的。

示例代碼

本文將以下面的代碼爲例展開討論：

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class LambdaImplTest {
    
    public static void main(String[] args) {
        m1(Arrays.asList(args));
    }
    
    public static void m1(List<String> list) {
        list.sort((a, b) -> a.length() - b.length());
    }
    
}

插入invokedynamic指令

直接利用匿名類來實現Lambda表達式肯定也是可行的，這樣，Lambda表達式就只是Java編譯器的語法糖而已。但是Java8並沒有這樣做，而是使用了更復雜（也更靈活）的方式：利用indy指令。顯然，這種方式需要編譯器和JVM一同配合來實現。編譯器會在每個Lambda表達式出現的地方插入一條indy指令，同時還必須在class文件裏生成相應的CONSTANT_InvokeDynamic_info常量池項和BootstrapMethods屬性等信息。這些信息將這條indy指令的bootstrap方法指向LambdaMetafactory.metafactory(...)方法。

插入lambda$x&y方法

用javac編譯LambdaImplTest.java，然後用javap -v -p反編譯.class文件，可以看到，編譯器生成了一個lambda$m1$0方法，並且將Lambda表達式的內容搬到了裏面：

編譯器會按照一定的規則來給Lambda表達式生成方法，以保證這些方法不會重名。如果把字節碼還原成Java代碼的話，LambdaImplTest看起來會像下面這樣：

public class LambdaImplTest {
    
    public static void main(String[] args) {
        m1(Arrays.asList(args));
    }
    
    public static void m1(List<String> list) {
        list.sort(/*lambda*/);
    }
    
    private static int lambda$m1$0(String a, String b) {
        return a.length() - b.length();
    }
    
}

LambdaMetafactory.metafactory(...)方法

當JVM第一次執行到這條indy指令的時候，它會找到這條指令相應的bootstrap方法，然後調用該方法，得到一個CallSite。下面是metafactory()方法的代碼：

    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();
    }

從代碼可以猜到，Java8內部也是以內部類的方式來實現Lambda表達式的。而InnerClassLambdaMetafactory的buildCallSite()方法證明了這一點，buildCallSite()方法太長，這裏就不貼代碼了，總之它會調用一個叫做spinInnerClass()的方法，正是這個方法使用字節碼工具在內存中生成了一個類。

觀察spinInnerClass()生成的類

如果我們在啓動JVM的時候設置系統屬性"jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses"的話，spinnerClass()方法就會將生成的類保存到文件中，以方便調試。如果我們用下面的命令運行LambdaImplTest，就能在“當前目錄”看到這個類：

java -Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses LambdaImplTest

LambdaImplTest$$Lambda$1.class

同樣可以使用javap命令來反編譯這個class文件，下面是反編譯結果（我自己把javap結果轉成了java文件）：

final class LambdaImplTest$$Lambda$1 implements java.util.Comparator {
    
    private LambdaImplTest$$Lambda$1() {

    }

    public int compare(Object a, Object b) {
        return LambdaImplTest.lambda$m1$0:((String) a, (String) b);
    }

}

可見這個內部類實現了Comparator接口，compare()方法只是調用lambda$m1$0()方法而已。繼續分析buildCallSite()方法可知，JVM接着實例化了這個內部類的一個實例，然後創建了一個ConstantCallSite，它的目標MethodHandle指向內部類實例的compare()方法。

示意圖

文字描述很難說清楚問題，下面我畫了一張示意圖：

總結

上面分析了最簡單的Lambda表達式的Java內部實現，如果Lambda表達式捕獲了外部參數的話，情況會稍微複雜一點。不過結論仍然不變：Java8底層也是以內部類的方式來實現Lambda表達式的。