Java 8 动态类型语言Lambda表达式实现原理解析

java 8支持动态语言，看到了很酷的lambda表达式，对一直以静态类型语言自居的java，让人看到了java虚拟机可以支持动态语言的目标。

import java.util.function.consumer; 
public class lambda { 
  public static void main(string[] args) { 
    consumer<string> c = s -> system.out.println(s); 
    c.accept("hello lambda!"); 
  } 
} 

刚看到这个表达式，感觉java的处理方式是属于内部匿名类的方式

public class lambda { 
  static { 
    system.setproperty("jdk.internal.lambda.dumpproxyclasses", "."); 
  } 
  public static void main(string[] args) { 
    consumer<string> c = new consumer<string>(){ 
      @override 
      public void accept(string s) { 
        system.out.println(s); 
      } 
      }; 
    c.accept("hello lambda"); 
  } 
} 

编译的结果应该是lambda.class , lambda$1.class 猜测在支持动态语言java换汤不换药，在最后编译的时候生成我们常见的方式。

但是结果不是这样的，只是产生了一个lambda.class

反编译吧，来看看真相是什么？

javap -v -p lambda.class 

注意  -p 这个参数 -p 参数会显示所有的方法，而不带默认是不会反编译private 的方法的

public lambda(); 
  descriptor: ()v 
  flags: acc_public 
  code: 
   stack=1, locals=1, args_size=1 
     0: aload_0 
     1: invokespecial #21         // method java/lang/object."<init>":()v 
     4: return 
   linenumbertable: 
    line 3: 0 
   localvariabletable: 
    start length slot name  signature 
      0    5   0 this  llambda; 
 public static void main(java.lang.string[]); 
  descriptor: ([ljava/lang/string;)v 
  flags: acc_public, acc_static 
  code: 
   stack=2, locals=2, args_size=1 
     0: invokedynamic #30, 0       // invokedynamic #0:accept:()ljava/util/function/consumer; 
     5: astore_1 
     6: aload_1 
     7: ldc      #31         // string hello lambda 
     9: invokeinterface #33, 2      // interfacemethod java/util/function/consumer.accept:(ljava/lang/object;)v 
    14: return 
   linenumbertable: 
    line 8: 0 
    line 9: 6 
    line 10: 14 
   localvariabletable: 
    start length slot name  signature 
      0   15   0 args  [ljava/lang/string; 
      6    9   1   c  ljava/util/function/consumer; 
   localvariabletypetable: 
    start length slot name  signature 
      6    9   1   c  ljava/util/function/consumer<ljava/lang/string;>; 
 private static void lambda$0(java.lang.string); 
  descriptor: (ljava/lang/string;)v 
  flags: acc_private, acc_static, acc_synthetic 
  code: 
   stack=2, locals=1, args_size=1 
     0: getstatic   #46         // field java/lang/system.out:ljava/io/printstream; 
     3: aload_0 
     4: invokevirtual #50         // method java/io/printstream.println:(ljava/lang/string;)v 
     7: return 
   linenumbertable: 
    line 8: 0 
   localvariabletable: 
    start length slot name  signature 
      0    8   0   s  ljava/lang/string; 
} 
sourcefile: "lambda.java" 
bootstrapmethods: 
 0: #66 invokestatic java/lang/invoke/lambdametafactory.metafactory:(ljava/lang/invoke/methodhandles$lookup;ljava/lang/string;ljava/lang/invoke/methodtype;ljava/lang/invoke/methodtype;ljava/lang/invoke/methodhandle;ljava/lang/invoke/methodtype;)ljava/lang/invoke/callsite; 
  method arguments: 
   #67 (ljava/lang/object;)v 
   #70 invokestatic lambda.lambda$0:(ljava/lang/string;)v 
   #71 (ljava/lang/string;)v 
innerclasses: 
   public static final #77= #73 of #75; //lookup=class java/lang/invoke/methodhandles$lookup of class java/lang/invoke/methodhandles 

在这里我们发现了几个与我们常见的java不太一样的地方，由于常量定义太多了，文章中就不贴出了

1. invokedynamic 指令

java的调用函数的四大指令（invokevirtual、invokespecial、invokestatic、invokeinterface)，通常方法的符号引用在静态类型语言编译时就能产生，而动态类型语言只有在运行期才能确定接收者类型，改变四大指令的语意对java的版本有很大的影响，所以在jsr 292 《supporting dynamically typed languages on the java platform》添加了一个新的指令

invokedynamic

0: invokedynamic #30,  0             // invokedynamic #0:accept:()ljava/util/function/consumer; 

 #30 是代表常量#30 也就是后面的注释invokedynamic #0:accept:()ljava/util/function/consumer;

0 是占位符号，目前无用

2. bootstrapmethods

每一个invokedynamic指令的实例叫做一个动态调用点(dynamic call site), 动态调用点最开始是未链接状态(unlinked:表示还未指定该调用点要调用的方法), 动态调用点依靠引导方法来链接到具体的方法.  引导方法是由编译器生成, 在运行期当jvm第一次遇到invokedynamic指令时, 会调用引导方法来将invokedynamic指令所指定的名字(方法名,方法签名)和具体的执行代码(目标方法)链接起来, 引导方法的返回值永久的决定了调用点的行为.引导方法的返回值类型是java.lang.invoke.callsite, 一个invokedynamic指令关联一个callsite, 将所有的调用委托到callsite当前的target(methodhandle)
invokedynamic #0 就是bootstrapmethods表示#0的位置

0: #66 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; 
 method arguments: 
  #67 (ljava/lang/object;)v 
  #70 invokestatic lambda.lambda$0:(ljava/lang/string;)v 
  #71 (ljava/lang/string;)v 

我们看到调用了lambdametafactory.metafactory 的方法

参数:

lambdametafactory.metafactory(lookup, string, methodtype, methodtype, methodhandle, methodtype)有六个参数, 按顺序描述如下

1. methodhandles.lookup caller : 代表查找上下文与调用者的访问权限, 使用invokedynamic指令时, jvm会自动自动填充这个参数

2. string invokedname : 要实现的方法的名字, 使用invokedynamic时, jvm自动帮我们填充(填充内容来自常量池invokedynamic.nameandtype.name), 在这里jvm为我们填充为 "apply", 即consumer.accept方法名.

3. methodtype invokedtype : 调用点期望的方法参数的类型和返回值的类型(方法signature). 使用invokedynamic指令时, jvm会自动自动填充这个参数(填充内容来自常量池invokedynamic.nameandtype.type), 在这里参数为string, 返回值类型为consumer, 表示这个调用点的目标方法的参数为string, 然后invokedynamic执行完后会返回一个即consumer实例.

4. methodtype sammethodtype :  函数对象将要实现的接口方法类型, 这里运行时, 值为 (object)object 即 consumer.accept方法的类型(泛型信息被擦除).#67 (ljava/lang/object;)v

5. methodhandle implmethod : 一个直接方法句柄(directmethodhandle), 描述在调用时将被执行的具体实现方法 (包含适当的参数适配, 返回类型适配, 和在调用参数前附加上捕获的参数), 在这里为 #70 invokestatic lambda.lambda$0:(ljava/lang/string;)v 方法的方法句柄.

6. methodtype instantiatedmethodtype : 函数接口方法替换泛型为具体类型后的方法类型, 通常和 sammethodtype 一样, 不同的情况为泛型:

比如函数接口方法定义为 void accept(t t)  t为泛型标识, 这个时候方法类型为(object)void,  在编译时t已确定, 即t由string替换, 这时sammethodtype就是 (object)void, 而instantiatedmethodtype为(string)void.

第4, 5, 6 三个参数来自class文件中的. 如上面引导方法字节码中method arguments后面的三个参数就是将应用于4, 5, 6的参数.

method arguments: 
  #67 (ljava/lang/object;)v 
  #70 invokestatic lambda.lambda$0:(ljava/lang/string;)v 
  #71 (ljava/lang/string;)v 

我们来看metafactory 的方法里的实现代码

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buildcallsite的函数中

callsite buildcallsite() throws lambdaconversionexception { 
    final class<?> innerclass = spininnerclass(); 

函数spininnerclass 构建了这个内部类，也就是生成了一个lambda$$lambda$1/716157500 这样的内部类,这个类是在运行的时候构建的，并不会保存在磁盘中，如果想看到这个构建的类，可以通过设置环境参数

system.setproperty("jdk.internal.lambda.dumpproxyclasses", "."); 

会在你指定的路径 . 当前运行路径上生成这个内部类

3.静态类

java在编译表达式的时候会生成lambda$0静态私有类，在这个类里实现了表达式中的方法块 system.out.println(s);

private static void lambda$0(java.lang.string); 
  descriptor: (ljava/lang/string;)v 
  flags: acc_private, acc_static, acc_synthetic 
  code: 
   stack=2, locals=1, args_size=1 
     0: getstatic   #46         // field java/lang/system.out:ljava/io/printstream; 
     3: aload_0 
     4: invokevirtual #50         // method java/io/printstream.println:(ljava/lang/string;)v 
     7: return 
   linenumbertable: 
    line 8: 0 
   localvariabletable: 
    start length slot name  signature 
      0    8   0   s  ljava/lang/string;

当然了在上一步通过设置的jdk.internal.lambda.dumpproxyclasses里生成的lambda$$lambda$1.class

public void accept(java.lang.object); 
  descriptor: (ljava/lang/object;)v 
  flags: acc_public 
  code: 
   stack=1, locals=2, args_size=2 
    0: aload_1 
    1: checkcast   #15         // class java/lang/string 
    4: invokestatic #21         // method lambda.lambda$0:(ljava/lang/string;)v 
    7: return 
  runtimevisibleannotations: 
   0: #13() 

调用了lambda.lambda$0静态函数，也就是表达式中的函数块

总结

这样就完成的实现了lambda表达式，使用invokedynamic指令，运行时调用lambdametafactory.metafactory动态的生成内部类，实现了接口，内部类里的调用方法块并不是动态生成的，只是在原class里已经编译生成了一个静态的方法，内部类只需要调用该静态方法

以上所述是小编给大家介绍的java 8 动态类型语言lambda表达式实现原理解析，希望对大家有所帮助