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【小家java】java8新特性之---lambda表达式的的原理


说在前面

本文着眼于lambda表达式的原理部分,至于基本使用层面,本章不做讨论,因为使用起来还是蛮简单的。

为了支持函数式编程,Java 8引入了Lambda表达式,那么在Java 8中到底是如何实现Lambda表达式的呢? Lambda表达式经过编译之后,到底会生成什么东西呢?

Java 8中每一个Lambda表达式必须有一个函数式接口与之对应。

或许我们可以推测:Lambda表达式是不是转化成与之对应的函数式接口的一个实现类呢,然后通过多态的方式调用子类的实现呢,如下面代码是一个Lambda表达式的样例:

@FunctionalInterface
interface Print<T> {
    public void print(T x);
}
public class Lambda {   
       //待测试的静态方法
    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));
    }
}

如果根据我们的推测,Java编译器编译后,肯定会出现一个类似Lambda$$0这样的类或者内部类,从而肯定存在一个.class文件。因为假如符合我们的预想,其实结果可以达到一模一样?

但是Java8中的lambda真是这么实现的吗?

为了探究Lambda表达式是如何实现的,就得需要研究Lambda表过式最终转化成的字节码文件,这就需要jdk的bin目录下的一个字节码查看工具及反编译工具

javap -p Lambda.class (命令中的-p表示输出所有类及成员)

运行上面的命令后,得的结果如下所示:

public class Lambda {
  public Lambda();
  public static void printString(java.lang.String, Print<java.lang.String>);
  public static void main(java.lang.String[]);
  
  //显然,这个方法是编译后多出的
  private static void lambda$0(java.lang.String);
}

由上面的代码可以看出编译器会根据Lambda表达式生成一个私有的静态方法(这点非常重要,就是为什么lambda表达式比匿名内部类效率高的直接原因),注意,在这里说的是生成,而不是等价

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

验证一下

为了验证上面的转化是否正确? 我们在代码中定义一个lambda$0这个方法:

  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));
    }

如上,我们代码在编译期间不抱错。但是,但是在运行期间就报错了。

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)

很明显,报错的额原因是因为存在两个lambda$0函数。

通过javap对上述错误代码进行反编译,反编译之后输出的类的成员如下所示:

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);
}

竟然发现lambda$0出现了两次,那么在代码运行的时候,就不知道去调用哪个,因此就会抛错。

提一句:

java底层处理lambda,其实非常的强大和巧妙。增加了不少类来处理lambda表达式。这里最重要的一个是LambdaMetafactory 里面有个方法:

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();
    }

所有的lambda在运行时会进入这个函数。所以我们在这个方法里面打断点,来获取更多的信息。这里不再做讨论,有兴趣的同学可以自己跟踪下去

结论

Lambda表达式在Java 8中首先会生成一个私有的静态函数,这个私有的静态函数干的就是Lambda表达式里面的内容

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