Java编译期处理（语法糖）—— 编译器到底干了些什么？

程序员文章站 2023-03-26 14:49:26

所谓的语法糖，其实就是指 java 编译器所 *.java 源码编译为 *.class字节码的过程，自动生成和转换的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是 java编译器给我们的一个额外福利（给糖吃嘛）。注意: 以下代码的分析，借助了 javap 工具，idea 的反编译功能，idea插件 jclasslib等工具。另外，编译器转换的结果直接就是 class字节码，只是为了便于阅读，给出了几乎等价的 java源码方式，并不是编译器还会转换出中间的 java源码，切记。编译期处理1.1 .....

编译期处理 —— 编译器到底干了些什么？

编译期处理

1.6 语法糖 - switch-string字符串

1.7 语法糖 - switch 枚举

1.8 语法糖 - 枚举类

1.9 语法糖 - try-with-resources

1.10 语法糖 - 重写桥接

1.11 语法糖 - 匿名内部类

所谓的语法糖，其实就是指 java 编译器所有 *.java 源码编译为 *.class 字节码的过程，自动生成和转换的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是 java 编译器给我们的一个额外福利（给糖吃嘛）。

注意: 以下代码的分析，借助了 javap 工具，idea 的反编译功能，idea插件 jclasslib等工具。另外，编译器转换的结果直接就是 class字节码，只是为了便于阅读，给出了几乎等价的 java源码方式，并不是编译器还会转换出中间的 java源码，切记。

1.1 语法糖 - 默认构造器

先来看一下示例代码，里面没有自己声明构造方法：

// 编译期处理(语法糖)——默认构造器
public class T01_CompileTime_DefaultConstructor {
    
}

编译成 class 后的代码：里面没有声明构造方法，无参构造是编译器帮助我们加上的。即调用父类 Object的无参构造方法：java/lang/Object."<init>"方法

// 编译期处理(语法糖)——默认构造器
public class T01_CompileTime_DefaultConstructor {
    // 这个无参构造是编译器帮助我们加止的
    public T01_CompileTime_DefaultConstructor() {
        super(); // 即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object."<init>":()V
    }
}

总结：

如果一个类中没有声明构造方法，无参构造是编译器会帮我们加上的。即调用父类 Object的无参构造方法：java/lang/Object."<init>"方法

1.2 语法糖 - 自动拆装箱

这个自动拆装箱特性是 JDK 5 开始加入的，代段片段1如下：

// 编译期处理(语法糖)——自动拆装箱
public class T02_CompileTime_AutoPackUnpack {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = 1;
        int y = x;
    }
}

这段代码在 JDK 5 之前无法编译通过的，必须改写为代码片段2：

// 编译期处理(语法糖)——自动拆装箱
public class T02_CompileTime_AutoPackUnpack {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = Integer.valueOf(1); // 装箱
        int y = x.intValue; // 拆箱
    }
}

显然之前版本的代码太麻烦了，需要在基本类型和包装类型之间来回转换（尤其是集合类中操作的都是包装类型），因此这些转换的事情在 JDK 5 以后装箱与拆箱操作都由编译器在编译阶段完成，即代码片段1 都会在编译阶段被转换为代码片段2

总结：

自动拆装箱转换的事情在 JDK 5 以后装箱与拆箱操作都由编译器在编译阶段完成

1.3 语法糖 - 泛型擦除

泛型也是在 JDK 5 开始加入的特性，但 java 在编译泛型代码后会执行泛型擦除的动作，即泛型信息在编译为字节码之后果就丢失了，实际的类型都当做了 Object 类型来处理：

// 编译期处理(语法糖)——泛型擦除
public class T03_CompileTime_GenericErase {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(10); // 实际调用的是 List.add(Object e)
        Integer x = list.get(0); // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index);
    }
}

所以在取值时，编译器真正生成的字节码中，还要额外做一个类型转换的操作：

// 需要将 Object 转为 Integer
Integer x = (Integer)list.get(0);

如果前面的 x 变量类型修改为 int 基本类型那么最终生成的字节码是：

// 需要将 Object 转为 Integer，并执行拆箱操作
int x = ((Integer)list.get(0)).intValue();

总结：

在JDK 5 及之后，泛型的类型转换麻烦事都不用自己做，java编译时就会帮我们做好。也就是说泛型参数只用于编译阶段的类型检查，不影响运行阶段
擦除的是字节码上的泛型信息，可以看到 LocalVariableTypeTable 仍然保留了方法参数泛型的信息

上述代码通过：javap -v T03_CompileTime_GenericErase.class进行反编译，得到如下字节码。

 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/util/ArrayList
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: bipush        10
        11: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
        14: invokeinterface #5,  2            // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
        19: pop
        20: aload_1
        21: iconst_0
        22: invokeinterface #6,  2            // InterfaceMethod java/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
        27: checkcast     #7                  // class java/lang/Integer
        30: astore_2
        31: return
      LineNumberTable: ...
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      32     0  args   [Ljava/lang/String;
            8      24     1  list   Ljava/util/List;
           31       1     2     x   Ljava/lang/Integer;
      LocalVariableTypeTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            8      24     1  list   Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;

1.4.1 语法糖 - 泛型反射

使用反射，仍然能够获得这些信息：

public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) {
}

Method test = T03_CompileTime_GenericErase.class.getMethod("test", List.class, Map.class);
Type[] types = test.getGenericParameterTypes();
for (Type type : types) {
    if (type instanceof ParameterizedType) {
        ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType)type;
        System.out.println("原始类型 - " + parameteredType.getRawType());
        Type[] arguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
        for (int i = 0; i < arguments.length; i++) {
            System.out.printf("泛型参数[%d] - %s\n", i, arguments[i]);
        }
    }
}

输出

原始类型 - interface java.util.List
泛型参数[0] - class java.lang.String
原始类型 - interface java.util.Map
泛型参数[0] - class java.lang.Integer
泛型参数[1] - class java.lang.Object

1.4 语法糖 - 可变参数

可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性，示例代码如下：

// 编译期处理(语法糖)——可变参数
public class T04_CompileTime_VariableParameter {
    public static void foo(String... args) {
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }

    public static void main(String[] args) {
        foo("hello", "world");
    }
}

可变参数 String... args 其实是一个 String[] args，编译器会将可变参数转换为数组。从代码中赋值语句中就可以看出来。同样 java 编译器会在编译期间将上述代码变换为：

// 编译期处理(语法糖)——可变参数
public class T04_CompileTime_VariableParameter {
    public static void foo(String[] args) { // 编译器将可变参数转换为数组
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }

    public static void main(String[] args) {
        foo("hello", "world");
    }
}

总结：

可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性；
可变参数 String... args 其实是一个 String[] args，编译器会将可变参数转换为数组；
如果调用了 foo() 则等价代码为 foo(new String[] {})，创建了一个空的数组，而不会传递 null 进去。

1.5 语法糖 - foreach 循环

仍是 JDK 5 开始引入的语法糖，数组的循环：

// 编译期处理(语法糖)——foreach
public class T05_CompileTime_Foreach {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1,2,3,4,5}; // 数组赋初值的简化写法也是语法糖哦
        for (int e : array) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

foreach 循环会被编译器转换为 fori 循环：

// 编译期处理(语法糖)——foreach
public class T05_CompileTime_Foreach {
    public T05_CompileTime_Foreach() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[]{1,2,3,4,5}; 
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            int e = array[i];
            System.out.println(e);
        }
    }
}

而集合的循环：

// 编译期处理(语法糖)——foreach
public class T05_CompileTime_Foreach {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
        for (Integer i : list) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

实际被编译器转换为对迭代器的调用：

// 编译期处理(语法糖)——foreach
public class T05_CompileTime_Foreach {
    public T05_CompileTime_Foreach() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
        Iterator iter = list.iterator(); // 获取迭代器
        while (iter.hasNext()) {
            Integer e = (Integer)iter.next(); // 类型转换
            System.out.println(e);
        }
    }
}

总结：

JDK 5 开始引入的语法糖
数组的循环 foreach 循环会被编译器转换为 fori 循环
集合的循环实际被编译器转换为对迭代器的调用
foreach 循环写法，能够配合数组，以及所有实现了 Iterable 接口的集合类一起使用，其中 Iterable 用来获取集合的迭代器（Iterator）

1.6 语法糖 - switch-string字符串

从JDK 7 开始，switch 可以作用于字符串和枚举类，这个功能其实也是语法糖，例如：

// 编译期处理(语法糖)——switch-string
public class T06_CompileTime_SwitchString {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "world": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

注意：

switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为 null ，原因分析完语法糖转换后的代码应当自然清楚

会被编译器转换为：

// 编译期处理(语法糖)——switch-string
public class T06_CompileTime_SwitchString {
    public T06_CompileTime_SwitchString() {

    }

    public static void choose(String str) {
        byte x = -1;
        switch (str.hashCode()) {
            case 99162322: // hello 的 hashCode
                if (str.equals("hello")) {
                    x = 0;
                }
            case 113318802: // word 的 hashCode
                if (str.equals("world")) {
                    x = 1;
                }
        }
        switch (x) {
            case 0:
                System.out.println("h");
                break;
            case 1:
                System.out.println("w");
                break;
        }
    }
}

可以看到，执行了两遍 switch，第一遍是根据字符串的 hashCode 和 equals 将字符串的转换为相应的 byte 类型，第二遍才利用 byte 执行进行比较。

为什么第一遍时必须比较 hashCode ，又利用 equals 比较呢？hashCode 是为了提高效率，减少可能的比较；而 equals 是为了防止 hashCode 冲突，例如 BM 和 C. 这两个字符串的 hashCode 值都是 2123，如下代码：

// 编译期处理(语法糖)——switch-string
public class T06_CompileTime_SwitchString2 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "BM": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "C.": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }

会被编译器转换为：

// 编译期处理(语法糖)——switch-string
public class T06_CompileTime_SwitchString2 {
    public T06_CompileTime_SwitchString2() {

    }

    public static void choose(String str) {
        byte x = -1;
        switch (str.hashCode()) {
            case 2123: // hashCode 值可能相同，需要进一步用 equals 比较
                if (str.equals("C.")) {
                    x = 0;
                } else if (str.equals("BM")) {
                    x = 1;
                }
            default:
                switch (x) {
                    case 0:
                        System.out.println("h");
                        break;
                    case 1:
                        System.out.println("w");
                        break;
                }
        }
    }
}

总结：

switch-string字符串语法糖，从JDK 7 开始
switch-string字符串，会java 编译器调整为执行了两遍 switch，第一遍是根据字符串的 hashCode 和 equals 将字符串的转换为相应的 byte 类型，第二遍才利用 byte 执行进行比较。
hashCode 是为了提高效率，减少可能的比较；而 equals 是为了防止 hashCode 冲突

1.7 语法糖 - switch 枚举

switch 枚举的例子，原始代码：

 enum Sex {
        MALE, FEMALE;
    }

// 编译期处理(语法糖)——switch-enum
enum Sex {
    MALE, FEMALE;
}

public class T07_CompileTime_SwitchEnum {
    public static void foo(Sex sex) {
        switch (sex) {
            case MALE:
                System.out.println("男"); break;
            case FEMALE:
                System.out.println("女"); break;
        }
    }
}

转换后代码：

public class T07_CompileTime_SwitchEnum {
    /**
     * 定义一个合成类（仅 jvm 使用，对我们不可见）
     * 用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系
     * 枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始
     * 即 MALE 的 ordinal()=0, FEMALE 的 ordinal()=1
     */
    static class $MAP {
        // 数组大小即为枚举元素个数，里面存储case用来对比的数字
        static int[] map = new int[2];
        static {
            map[Sex.MALE.ordinal()] = 1;
            map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 2;
        }
    }

    public static void foo(Sex sex){
        int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
        switch (x) {
            case 1:{
                System.out.println("男");
                break;
            }
            case 2:{
                System.out.println("女");
                break;
            }
        }
    }
}

总结：

枚举类使用 switch 时，java编译器会帮我们自动合成一个静态类用来映射枚举的 ordinal 下标与数组元素的关系，数组大小即为枚举元素个数，里面存储 case 是用来对比的数字；
接着，在 switch 方法中，取出枚举下标对应静态类中定义的数字，进行switch判断；

1.8 语法糖 - 枚举类

JDK 5 新增枚举类，以前面的性别的枚举为例：

enum Sex {
    MALE, FEMALE;
}

java 编译器将上述转换后，得到如下代码：

public final class Sex extends Enum<Sex> {
    public static final Sex MALE;
    public static final Sex FEMALE;
    private static final Sex[] $VALUES;

    static {
        MALE = new Sex("MALE", 0);
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};
    }
    /**
     * Sole constructor. Programmers cannot invoke this constructor.
     * It is for use code emitted by the compiler in response to
     * enum type declarations.
     *
     * @param name - The name of this enum constant, which is the identifier used to declare it.
     * @param ordinal - The ordinal of this enumeration constant (its position in the enum declaration, where the initial constant is assigned
     */
    private Sex(String name, int ordinal) {
        super(name, ordinal);
    }

    public static Sex[] values() {
        return $VALUES.clone();
    }

    public static Sex valueOf(String name) {
        return Enum.valueOf(Sex.class, name);
    }
}

总结：

枚举本质上是通过普通的类来实现的，只是编译器为我们进行了处理。每个枚举类型都继承自 java.lang.Enum，并自动添加了 values 和 valueOf 方法。而每个枚举常量是一个静态常量字段，使用内部类实现，该内部类继承了枚举类。所有枚举常量都通过静态代码块来进行初始化，即在类加载期间就初始化。另外通过把 clone、readObject、writeObject 这三个方法定义为 final 的，同时实现是抛出相应的异常。这样保证了每个枚举类型及枚举常量都是不可变的。可以利用枚举的这两个特性来实现线程安全的单例。

1.9 语法糖 - try-with-resources

JDK 7 开始新增了对需要关闭的资源处理的特殊语法 try-with-resources

try (资源变量 = 创建资源对象) {

} catch {

}

其中资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如：InputStream、OutputStream、Connection、Statement、ResultSet 等接口实现了 AutoCloseable，使用 try-with-resources 可以不用写 finally 语句块，编译器会帮助生成 finally 代码关闭资源，例如：

// 编译期处理(语法糖) —— try-with-resources
public class T09_CompileTime_TryWithResources {
    public static void main(String[] args) {
        try (InputStream is = new FileInputStream("in/1.txt")){
            System.out.println(is);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

java 编译器在编译时，会做如下改动：

// 编译期处理(语法糖) —— try-with-resources
public class T09_CompileTime_TryWithResources2 {
    public T09_CompileTime_TryWithResources2() {

    }
    public static void main(String[] args) {
        try {
            InputStream is = new FileInputStream("in/1.txt");
            Throwable t  = null;
            try {
                System.out.println(is);
            } catch (Throwable e1) {
                // t 是我们代码出现的异常
                t = e1;
                throw e1;
            } finally {
                // 判断了资源不为空
                if (is != null) {
                    // 如果我们代码有异常
                    if (t != null) {
                        try {
                            is.close();
                        } catch (Throwable e2) {
                            // 如果 close 出现异常，作为被压制异常添加; 这样异常不会丢
                            t.addSuppressed(e2); // 一般开发人员不会考虑这么全面的异常捕获
                        }
                    } else {
                        // 如果我们代码没有异常，close 出现的异常就是最后的 catch 块中的 e
                        is.close();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

什么要设计一个 addSuppressed (Throwable e) （添加被压制异常）的方法呢？是为了防止异常信息的丢失（想想 try-with-resources 生成的 finally 中如果抛出了异常）：

// 编译期处理(语法糖) —— try-with-resources
public class T09_CompileTime_TryWithResources3 {
    public static void main(String[] args) {
        try (MyResource resource = new MyResource()) {
            int i = 1/0;
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class MyResource implements AutoCloseable {
        //@Override
        public void close() throws Exception {
            throw new Exception("close 异常");
        }
    }
}

Java编译期处理（语法糖）—— 编译器到底干了些什么？

如以上代码所示，两个异常信息都不会丢。

总结：

JDK 7 开始新增了对需要关闭的资源处理的特殊语法 try-with-resources
资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如：InputStream、OutputStream、Connection、Statement、ResultSet 等接口实现了 AutoCloseable，使用 try-with-resources 可以不用写 finally 语句块，编译器会帮助生成 finally 代码关闭资源
try-with-resources 能实现正常资源的关闭，如果出现了异常，异常信息不会丢失

1.10 语法糖 - 重写桥接

我们都知道，方法重写对对返回值分两种情况：

父子类的返回值完全一致
子类返回值可以是父类返回值的子类（比较绕口，见下面的例子）

class A {
    public Number m() {
        return 1;
    }
}

class B extends A {
    @Override
    // 子类 m 方法的返回值是 Integer 是父类 m 方法返回值 Number 的子类
    public Number m() {
        return 2;
    }
}

对于子类，java编译器会做如下处理：

class B extends A {
    public Integer m() {
        return 2;
    }
    // 此方法才是真正重写了父类 public Number m() 方法； synthetic bridge 是jvm合成的，对我们不可见
    public synthetic bridge Number m() {
        // 调用 public Integer m()
        return m();
    }
}

其中桥接方法比较特殊，仅对 java 虚拟机可见，并且与原来的 public Integer m() 没有命名冲突，可以用下面反射代码来验证：

for (Method m : B.class.getDeclaredMethods()) {
    System.out.println(m);
}

会输出：

public java.lang.Integer test.candy.B.m()
public java.lang.Number test.candy.B.m()

总结：

父类 A 的 m 的返回值是 Number 类型，子类 B 重写 m 返回的值是 Integer 类型，对于 Java 语言是重写的，但对于 Java 虚拟机解析来说却不是重写的，只有当两个方法的参数类型以及返回类型一致时，Java 虚拟机才会判定为重写，为了保持重写的语义，Java 编译器会在 B类的字节码文件中自动生成一个桥接方法来保证重写语义。

1.11 语法糖 - 匿名内部类

先来看一下匿名内部类的示例：

public class T11_Compile_HideInnerClass {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok");
            }
        };
    }
}

转换后代码：java 编译器会自动生成一个叫 xxx$1 的类，该类实现 Runnable 接口

final class T11_Compile_HideInnerClass$1 implements Runnable {
    T11_Compile_HideInnerClass$1() {
    }

    public void run() {
        System.out.println("ok")
    }
}

然后在 xxx 类中，调用由 java 编译器自动生成的 xxx$1 类对象

final class T11_Compile_HideInnerClass {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new T11_Compile_HideInnerClass$1();
    }
}

接下来，我们继续看另外一个例子：引用局部变量的匿名内部类，源代码：

// 编译期处理(语法糖) —— 匿名内部类
public class T11_Compile_HideInnerClass {
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok:" + x);
            }
        };
    }
}

java 编译器会自动生成一个叫 xxx$1的类，该类实现 Runnable 接口。如有存在引用局部变量，则会将局部变量 x 做为动态生成类 xxx$1 类的一个成员变量，通过构造方法传入。转换后代码：

final class T11_Compile_HideInnerClass$1 implements Runnable {
    int val$x;
    T11_Compile_HideInnerClass$1(int x) {
        this.val$x = x;
    }

    public void run() {
        System.out.println("ok" + this.val$x)
    }
}

final class T11_Compile_HideInnerClass {
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new T11_Compile_HideInnerClass$1(x);
    }
}

注意：

这同时解释了为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须是 final 的：因为在创建 xxx$1 对象时，将 x 的值赋值给了 xxx$1 对象的 val$x 属性，所以 x 不应该再发生变化了，如果变化，那 val$x 属性没有机会再跟着一起变化

总结：

匿名内部类的底层实现，由Java 编译器自动生成一个叫 xxx$1的类，该类实现 Runnable 接口。如果存在引用局部变量，则会将局部变量 x 做为动态生成类 xxx$1 类的一个成员变量，通过构造方法传入。
局部变量必须是 final 的：因为在创建 xxx$1 对象时，将 x 的值赋值给了 xxx$1 对象的 val$x 属性，所以 x 不应该再发生变化了，如果变化，那 val$x 属性没有机会再跟着一起变化

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