前言

java中有lambda,在使用java的过程中我们没少用(啥?用的kotlin?你别说话)但是你知道lambda的实现原理吗?

接下来就来解析lambda实现,不过在lambda之前我们与一个熟悉的老伙计谈谈心————匿名类,为什么因为他们有点类似.

匿名类的实现方式

从字节码的层面上来说new接口和new抽象类是极其抽象且不合理的。

比如这样。

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("Hello world");
            }
        }.run();
    }

}

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当我们对这个文件进行编译以后会得到两个文件

Test.class以及Test$1.class

使用jclasslib idea插件对Test.class文件解析以后会发现，我这里new了另外一个东西Test$1，这是个什么？

反编译以后就是这玩意

Java中lambda是什么 java lambda 原理_匿名类

所以new接口和new抽象类这种方式并不会减少类的创建，只不过这个实现类是编译器在编译的时候自动帮助创建。而且这个匿名类的名称是有一定规律的。

小结

匿名类的实现即编译器静态生成一个类，new抽象的实现都是引用的具体的匿名类。

Lambda表达式实现

Lambda和匿名类的实现类似，他们的关系就类似于静态代理和动态代理。

匿名类是静态生成,而Lambda是动态生成。

何以见得？show code

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Runnable run = () -> System.out.println("Hello world")
        run.run();
    }

}
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这种实现只能通过字节码进行分析。因为他是最直观的方式

这下还没点开就觉得有些猫腻了。hh，这也算是一个伏笔吧。

Java中lambda是什么 java lambda 原理_字节码_02

剧透一下

这边这个lambda是我们lambda内部的具体代码.

lambda实现实际是通过asm进行class的生成，然后这个生成的class内部的方法调用了lambdamainmainmain0.

main字节码分析

0 invokedynamic #2 <run, BootstrapMethods #0>
 5 astore_1
 6 aload_1
 7 invokeinterface #3 <java/lang/Runnable.run : ()V> count 1
12 return
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短短几行代码,我却难以读懂...

invokedynamic

invokedynamic是关键。

他调用了常量池2号常量，也就是一个invokeDynamic

Java中lambda是什么 java lambda 原理_java_03

而这个常量链接了一个描述符和一个Bootstrap方法。

这个方法有些长啊

但是这是分析的关键

这是bootstrp方法的具体签名

<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;>
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等价于

public static CallSite metafactory(MethodHandles.Lookup caller,
                                       String invokedName,
                                       MethodType invokedType,
                                       MethodType samMethodType,
                                       MethodHandle implMethod,
                                       MethodType instantiatedMethodType)
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也就是说invokedynamic就相当于调用了这个方法

这代码呢也不长

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();
    }
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就3行，第2行是一些参数的配置不太重要，第3行调用的方法是一个抽象。

所以这样来看InnerClassLambdaMetafactory是突破口

小细节

注意其static代码块

static {
    final String dumpProxyClassesKey = "jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses";
    // 这里获取了一个System property。看这变量名称能猜出他是一个路径
    String dumpPath = GetPropertyAction.privilegedGetProperty(dumpProxyClassesKey);
    //如果dumpPath为null dumper就是null，否者会生成一个dumper
    dumper = (null == dumpPath) ? null : ProxyClassesDumper.getInstance(dumpPath);
    
    //这里也是做一个配置，不过作为过来人告诉你这个不是很重要。
    final String disableEagerInitializationKey = "jdk.internal.lambda.disableEagerInitialization";
    disableEagerInitialization = AccessController.doPrivileged(
        new GetBooleanAction(disableEagerInitializationKey)).booleanValue();

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构造函数

public InnerClassLambdaMetafactory(MethodHandles.Lookup caller,
                                   MethodType invokedType,
                                   String samMethodName,
                                   MethodType samMethodType,
                                   MethodHandle implMethod,
                                   MethodType instantiatedMethodType,
                                   boolean isSerializable,
                                   Class<?>[] markerInterfaces,
                                   MethodType[] additionalBridges)
        throws LambdaConversionException {
    //参数配置不重要
    super(caller, invokedType, samMethodName, samMethodType,
          implMethod, instantiatedMethodType,
          isSerializable, markerInterfaces, additionalBridges);
    implMethodClassName = implClass.getName().replace('.', '/');
    implMethodName = implInfo.getName();
    implMethodDesc = implInfo.getMethodType().toMethodDescriptorString();
    constructorType = invokedType.changeReturnType(Void.TYPE);
    lambdaClassName = targetClass.getName().replace('.', '/') + "$$Lambda$" + counter.incrementAndGet();
    //属于是核心逻辑了
    cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
    int parameterCount = invokedType.parameterCount();
    if (parameterCount > 0) {
        argNames = new String[parameterCount];
        argDescs = new String[parameterCount];
        for (int i = 0; i < parameterCount; i++) {
            argNames[i] = "arg$" + (i + 1);
            argDescs[i] = BytecodeDescriptor.unparse(invokedType.parameterType(i));
        }
    } else {
        argNames = argDescs = EMPTY_STRING_ARRAY;
    }
}
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接着就是最核心的逻辑了

buildCallSite

CallSite buildCallSite() throws LambdaConversionException {
        final Class<?> innerClass = spinInnerClass();
    ...
    }
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第一行代码以后就生成了相应的class文件

spinInnerClass

代码挺长的

private Class<?> spinInnerClass() throws LambdaConversionException {
    String[] interfaces;
    String samIntf = samBase.getName().replace('.', '/');
    boolean accidentallySerializable = !isSerializable && Serializable.class.isAssignableFrom(samBase);
    //参数配置
    ...

    //利用asm ClassWriter直接生成class字节码
    cw.visit(CLASSFILE_VERSION, ACC_SUPER + ACC_FINAL + ACC_SYNTHETIC,
             lambdaClassName, null,
             JAVA_LANG_OBJECT, interfaces);

    // Generate final fields to be filled in by constructor
    for (int i = 0; i < argDescs.length; i++) {
        FieldVisitor fv = cw.visitField(ACC_PRIVATE + ACC_FINAL,
                                        argNames[i],
                                        argDescs[i],
                                        null, null);
        fv.visitEnd();
    }

    generateConstructor();

    if (invokedType.parameterCount() != 0 || disableEagerInitialization) {
        generateFactory();
    }

    MethodVisitor mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, samMethodName,
                                      samMethodType.toMethodDescriptorString(), null, null);
    mv.visitAnnotation("Ljava/lang/invoke/LambdaForm$Hidden;", true);

    if (additionalBridges != null) {
        for (MethodType mt : additionalBridges) {
            mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC|ACC_BRIDGE, samMethodName,
                                mt.toMethodDescriptorString(), null, null);
            mv.visitAnnotation("Ljava/lang/invoke/LambdaForm$Hidden;", true);
            new ForwardingMethodGenerator(mv).generate(mt);
        }
    }


    ...

    cw.visitEnd();
    //转化为字节码
    final byte[] classBytes = cw.toByteArray();

    //如果dumper不为空就将class字节码文件输出到指定路径
    if (dumper != null) {
        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<>() {
            @Override
            public Void run() {
                dumper.dumpClass(lambdaClassName, classBytes);
                return null;
            }
        }, null,
        new FilePermission("<<ALL FILES>>", "read, write"),
        // createDirectories may need it
        new PropertyPermission("user.dir", "read"));
    }

    //定义class
    return UNSAFE.defineAnonymousClass(targetClass, classBytes, null);
}
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字节码分析

Java中lambda是什么 java lambda 原理_Java中lambda是什么_04

运行以后可以发现生成了一个class文件

Java中lambda是什么 java lambda 原理_字节码_05

然而这个class实现了对应的接口，并调用了生成的lambda方法

Java中lambda是什么 java lambda 原理_开发语言_06

所以lambda表达式的实现原理就简单了，通过asm生成一个类动态地指向我们需要执行的代码块所对应的方法。