Java 8 Lambda实现原理分析！
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2022-01-13 00:20
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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? 在没有深入分析前，让我们先想一想，Java 8中每一个Lambda表达式必须有一个函数式接口与之对应。
那么你或许在想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 {
public static void PrintString(String s, Print print) {
print.print(s);
}
public static void main(String\[\] args) {
PrintString("test", (x) -> System.out.println(x));
}
}
按照上面的分析，理论上经过编译器处理后，最终生成的代码应该如下面所示：
@FunctionalInterface
interface Print<T> {
public void print(T x);
}
class Lambda$$0 implements Print<String> {
@Override
public void print(String x) {
System.out.println(x);
}
}
public class Lambda {
public static void PrintString(String s,
Print print) {
print.print(s);
}
public static void main(String\[\] args) {
PrintString("test", new Lambda$$0());
}
}
再或者是一个内部类实现，代码如下所示：
@FunctionalInterface
interface Print<T> {
public void print(T x);
}
public class Lambda {
final class Lambda$$0 implements Print<String> {
@Override
public void print(String x) {
System.out.println(x);
}
}
public static void PrintString(String s,
Print print) {
print.print(s);
}
public static void main(String\[\] args) {
PrintString("test", new Lambda().new Lambda$$0());
}
}
异或是这种匿名内部类实现，代码如下所示:
@FunctionalInterface
interface Print<T> {
public void print(T x);
}
public class Lambda {
public static void PrintString(String s,
Print print) {
print.print(s);
}
public static void main(String\[\] args) {
PrintString("test", new Print() {
@Override
public void print(String x) {
System.out.println(x);
}
});
}
}
上面的代码，除了在代码长度上长了点外，与用Lambda表达式实现的代码运行结果是一样的，那么Java 8到底是用什么方式实现的呢? 是不是上面三种实现方式中的一种呢，你也许觉的自已想的是对的，其实本来也就是对的，在Java 8中采用的是内部类来实现Lambda表达式
那么Lambda表达式到底是如何实现的呢？
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
上面命令中的-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:
Compiled from "Lambda.java"
public class Lambda {
public Lambda();
public static void PrintString(java.lang.String, Print) ;
public static void main(java.lang.String\[\]);
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函数，注意，在这里说的是生成，而不是等价。
private static void lambda$0(java.lang.String);
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这个的函数，最终代码如下所示：
@FunctionalInterface
interface Print<T> {
public void print(T x);
}
public class Lambda {
public static void PrintString(String s,
Print print) {
print.print(s);
}
private static void lambda$0(String s) {
}
public static void main(String\[\] args) {
PrintString("test", (x) -> System.out.println(x));
}
}
上面的代码在编译时不会报错，但是运行时就会报错，因为存在两个lambda$0函数，如下所示，是运行时的错误：
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)
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
Compiled from "Lambda.java"
public class Lambda {
public Lambda();
public static void PrintString(java.lang.String, Print) ;
private static void lambda$0(java.lang.String);
public static void main(java.lang.String\[\]);
private static void lambda$0(java.lang.String);
}
会发现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。
有了上面的内容，可以知道的是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,因此上面的代码初步可以转化成如下所示的代码
@FunctionalInterface
interface Print<T> {
public void print(T x);
}
public class Lambda {
public static void PrintString(String s, Print print) {
print.print(s);
}
private static void lambda$0(String x) {
System.out.println(x);
}
public static void main(String\[\] args) {
PrintString("test", /\*\*lambda expression\*\*/);
}
}
转化成上面的形式之后，那么如何实现调用静态的lambda$0函数呢，在这里可以在以下方法打上断点，可以发现在有lambda表达式的地方，运行时会进入这个函数
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();
}
在这个函数中可以发现为Lambda表达式生成了一个内部类，为了验证是否生成内部类，可以在运行时加上-Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses，加上这个参数后，运行时，会将生成的内部类class码输出到一个文件中
final class Lambda$$Lambda$1 implements Print {
private Lambda$$Lambda$1();
public void print(java.lang.Object);
}
如果运行javap -c -p 则结果如下
final class Lambda$$Lambda$1 implements Print {
private Lambda$$Lambda$1();
Code:
0: aload\_0
1: invokespecial #10 // Method java/lang/Object."":()V
4: return
public void print(java.lang.Object);
Code:
0: aload\_1
1: checkcast #14 // class java/lang/String
4: invokestatic #20 // Method Lambda.lambda$0:(Ljava/lang/String;)V
7: return
}
通过上面的字节码指令可以发现实现上调用的是Lambda.lambda$0这个私有的静态方法
因此最终的Lambda表达式等价于以下形式：
@FunctionalInterface
interface Print<T> {
public void print(T x);
}
public class Lambda {
public static void PrintString(String s, Print print) {
print.print(s);
}
private static void lambda$0(String x) {
System.out.println(x);
}
final class $Lambda$1 implements Print{
@Override
public void print(Object x) {
lambda$0((String)x);
}
}
public static void main(String\[\] args) {
PrintString("test", new Lambda().new $Lambda$1());
}
}
至此，关于 Lambda 表达式实现原理的内容已经讲完了，希望能够帮助到大家！