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Java技巧總結之如何看Lambda原始碼

2022-04-18 19:00:29
本篇文章給大家帶來了關於的相關知識，其中主要介紹了關於如何看Lambda原始碼的相關問題，使用 Lambda 表示式可以對程式碼進行大量的優化，用幾行程式碼就可以做很多事情，下面一起來看一下，希望對大家有幫助。

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大家都知道 Java8 中新增了 Lambda 表示式，使用 Lambda 表示式可以對程式碼進行大量的優化，用幾行程式碼就可以做很多事情，本章以 Lambda 為例，第一小節說明一下其底層的執行原理，第二小節說明一下 Lambda 流在工作中常用的姿勢。

1、Demo

首先我們來看一個 Lambda 表示式的 Demo，如下圖：

程式碼比較簡單，就是新起一個執行緒列印一句話，但對於圖中 () -> System.out.println ( 「 lambda is run 「 ) 這種程式碼，估計很多同學都感覺到很困惑，Java 是怎麼識別這種程式碼的？

如果我們修改成匿名內部類的寫法，就很清楚，大家都能看懂，如下圖：

那是不是說 () -> System.out.println ( 「 lambda is run 「 ) 這種形式的程式碼，其實就是建立了內部類呢？其實這就是最簡單 Lambda 表示式，我們是無法通過 IDEA 看到原始碼和其底層結構的，下面我們就來介紹幾種可看到其底層實現的方式。

2、異常判斷法

我們可以在程式碼執行中主動丟擲異常，列印出堆疊，堆疊會說明其執行軌跡，一般這種方法簡單高效，基本上可以看到很多情況下的隱藏程式碼，我們來試一下，如下圖：

從異常的堆疊中，我們可以看到 JVM 自動給當前類建立了內部類（錯誤堆疊中出現多次的 $ 表示有內部類），內部類的程式碼在執行過程中，丟擲了異常，但這裡顯示的程式碼是 Unknown Source，所以我們也無法 debug 進去，一般情況下，異常都能暴露出程式碼執行的路徑，我們可以打好斷點後再次執行，但對於 Lambda 表示式而言，通過異常判斷法我們只清楚有內部類，但無法看到內部類中的原始碼。

3、javap 命令法

javap 是 Java 自帶的可以檢視 class 位元組碼檔案的工具，安裝過 Java 基礎環境的電腦都可以直接執行 javap 命令，如下圖：

命令選項中，我們主要是用-v -verbose 這個命令，可以完整輸出位元組碼檔案的內容。

接下來我們使用 javap 命令檢視下 Lambda.class 檔案，在講解的過程中，我們會帶上一些關於 class 檔案的知識。

我們在命令視窗中找到 Lambda.class 所在的位置，執行命令：javap -verbose Lambda.class，然後你會看到一長串的東西，這些叫做組合指令，接下來我們來一一講解下（ 所有的參考資料來自 Java 虛擬機器器規範，不再一一參照說明）：

組合指令中我們很容易找到 Constant pool 打頭的一長串型別，我們叫做常數池，官方英文叫做 Run-Time Constant Pool，我們簡單理解成一個裝滿常數的 table ，table 中包含編譯時明確的數位和文字，類、方法和欄位的型別資訊等等。table 中的每個元素叫做 cpinfo，cpinfo 由唯一標識 ( tag ) + 名稱組成，目前 tag 的型別一共有：

圖片描述

貼出我們解析出來的部分圖：

  1. 圖中 Constant pool 字樣代表當前資訊是常數池；

  2. 每行都是一個 cp_info ，第一列的 #1 代表是在常數池下標為 1 的位置 ；

  3. 每行的第二列，是 cp_info 的唯一標識 ( tag ) ，比如 Methodref 對應著上表中的 CONSTANT_Methodref（上上圖中表格中 value 對應 10 的 tag），代表當前行是表示方法的描述資訊的，比如說方法的名稱，入參型別，出引數型別等，具體的含義在 Java 虛擬機器器規範中都可以查詢到，Methodref 的截圖如下：
    圖片描述

  4. 每行的第三列，如果是具體的值的話，直接顯示具體的值，如果是複雜的值的話，會顯示 cp_info 的參照，比如說圖中標紅 2 處，參照兩個 13 和 14 位置的 cp_info，13 表示方法名字是 init，14 表示方法無返回值，結合起來表示方法的名稱和返回型別，就是一個無參構造器；

  5. 每行的第四列，就是具體的值了。

對於比較重要的 cp_info 型別我們說明下其含義：

  1. InvokeDynamic 表示動態的呼叫方法，後面我們會詳細說明；
  2. Fieldref 表示欄位的描述資訊，如欄位的名稱、型別；
  3. NameAndType 是對欄位和方法型別的描述；
  4. MethodHandle 方法控制程式碼，動態呼叫方法的統稱，在編譯時我們不知道具體是那個方法，但執行時肯定會知道呼叫的是那個方法；
  5. MethodType 動態方法型別，只有在動態執行時才會知道其方法型別是什麼。

我們從上上圖中標紅的 3 處，發現 Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup，java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory 類似這樣的程式碼，MethodHandles 和 LambdaMetafactory 都是 java.lang.invoke 包下面的重要方法，invoke 包主要實現了動態語言的功能，我們知道 java 語言屬於靜態編譯語言，在編譯的時候，類、方法、欄位等等的型別都已經確定了，而 invoke 實現的是一種動態語言，也就是說編譯的時候並不知道類、方法、欄位是什麼型別，只有到執行的時候才知道。

比如這行程式碼：Runnable runnable = () -> System.out.println(「lambda is run」); 在編譯器編譯的時候 () 這個括號編譯器並不知道是幹什麼的，只有在執行的時候，才會知道原來這代表著的是 Runnable.run() 方法。invoke 包裡面很多類，都是為了代表這些 () 的，我們稱作為方法控制程式碼（ MethodHandler ），在編譯的時候，編譯器只知道這裡是個方法控制程式碼，並不知道實際上執行什麼方法，只有在執行的時候才知道，那麼問題來了，JVM 執行的時候，是如何知道 () 這個方法控制程式碼，實際上是執行 Runnable.run() 方法的呢？

首先我們看下 simple 方法的組合指令：

從上圖中就可以看出 simple 方法中的 () -> System.out.println(「lambda is run」) 程式碼中的 ()，實際上就是 Runnable.run 方法。

我們追溯到 # 2 常數池，也就是上上圖中標紅 1 處，InvokeDynamic 表示這裡是個動態呼叫，呼叫的是兩個常數池的 cp_info，位置是 #0:#37 ，我們往下找 #37 代表著是 // run:()Ljava/lang/Runnable，這裡表明了在 JVM 真正執行的時候，需要動態呼叫 Runnable.run() 方法，從組合指令上我們可以看出 () 實際上就是 Runnable.run()，下面我們 debug 來證明一下。

我們在上上圖中 3 處發現了 LambdaMetafactory.metafactory 的字樣，通過查詢官方檔案，得知該方法正是執行時， 連結到真正程式碼的關鍵，於是我們在 metafactory 方法中打個斷點 debug 一下，如下圖：

圖片描述

metafactory 方法入參 caller 代表實際發生動態呼叫的位置，invokedName 表示呼叫方法名稱，invokedType 表示呼叫的多個入參和出參，samMethodType 表示具體的實現者的引數，implMethod 表示實際上的實現者，instantiatedMethodType 等同於 implMethod。

以上內容總結一下：

1：從組合指令的 simple 方法中，我們可以看到會執行 Runnable.run 方法；

2：在實際的執行時，JVM 碰到 simple 方法的 invokedynamic 指令，會動態呼叫 LambdaMetafactory.metafactory 方法，執行具體的 Runnable.run 方法。

所以可以把 Lambda 表達值的具體執行歸功於 invokedynamic JVM 指令，正是因為這個指令，才可以做到雖然編譯時不知道要幹啥，但動態執行時卻能找到具體要執行的程式碼。

接著我們看一下在組合指令輸出的最後，我們發現了異常判斷法中發現的內部類，如下圖：

圖片描述

上圖中箭頭很多，一層一層的表達清楚了當前內部類的所有資訊。

4、總結

我們總結一下，Lambda 表示式執行主要是依靠 invokedynamic 的 JVM 指令來實現，咱們演示的類的全路徑為：demo.eight.Lambda 感興趣的同學可以自己嘗試一下。

不囉嗦，文章結束，期待三連！

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