【修炼内功】[Java8] Lambda究竟是不是匿名类的语法糖

本文已收录【修炼内功】跃迁之路

初次接触 Java 8的时候感觉Lambda表达式很神奇( Lambda表达式带来的编程新思路 )，但又总感觉它就是匿名类或者内部类的语法糖而已，只是语法上更为简洁罢了，如同以下的代码

public class Lambda {
    private static void hello(String name, Consumer<String> printer) {
        printer.accept(name);
    }

    public static void main(String[] args) {
        hello("lambda", (name) -> System.out.println("Hello " + name));
        hello("匿名类", new Consumer<String> () {
            @Override
            public void accept(String name) {
                System.out.println("Hello " + name);
            }
        });
        hello("内部类", new SupplierImpl());
    }

    static class SupplierImpl implements Consumer<String> {
        @Override
        public void accept(String name) {
            System.out.println("Hello " + name);
        }
    }
}

编译后会产生三个文件

虽然从使用效果来看，Lambda与匿名类或者内部类有相似之处(当然也有很大不同，如this指针等 Lambda表达式里的"陷阱" )，但从编译结果来看，并不能简单地将Lambda与匿名类/内部类划等号

简单查看Lambda字节码 javap -p Lambda

Java编译器自动帮我们生成了方法 lambda$main$0 ，我们有理由相信，Lambda表达式内的逻辑就封装在此函数内

生成的方法 lambda$main$0 又是如何被调用的呢？

Lambda的调用使用了 invokedynamic 指令，虚拟机视角的方法调用一文中已经详细介绍了 invokedynamic ，但这里还是看不出 invokedynamic 指令与 lambda$main$0 方法之间到底是如何关联起来的， invokedynamic 指令的启动函数( BootstrapMethod )与调用点( CallSite )又在哪里？

其实仔细查看字节码的话可以发下，编译器还会额外生成一个内部类

仔细查看内部类的逻辑，是不是像极了虚拟机视角的方法调用一文中所提invokedynamic的运行过程

1. 在第一次执行invokedynamic时，JVM虚拟机会调用该指令所对应的启动方法( BootstrapMethod )来生成调用点
2. 启动方法( BootstrapMethod )由方法句柄来指定( MH_BootstrapMethod )
3. 启动方法接受三个固定的参数，分别为 Lookup实例、指代目标方法名的字符串及该调用点能够链接的方法句柄类型
4. 将调用点绑定至该invokedynamic指令中，之后的运行中虚拟机会直接调用绑定的调用点所链接的方法句柄

为了验证此想法，可以执行 java -Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses Lambda 用来导出内部类

跟踪内部类的运行可以发现，在执行lambda表达式的时候会调用 MethodHandleNatives.linkCallSite 方法来生成并链接到调用点

// Up-calls from the JVM.
// These must NOT be public.

/**
  * The JVM is linking an invokedynamic instruction.  Create a reified call site for it.
  */
static MemberName linkCallSite(Object callerObj,
                               Object bootstrapMethodObj,
                               Object nameObj, Object typeObj,
                               Object staticArguments,
                               Object[] appendixResult) {
    MethodHandle bootstrapMethod = (MethodHandle)bootstrapMethodObj;
    Class<?> caller = (Class<?>)callerObj;
    String name = nameObj.toString().intern();
    MethodType type = (MethodType)typeObj;
    if (!TRACE_METHOD_LINKAGE)
        return linkCallSiteImpl(caller, bootstrapMethod, name, type,
                                staticArguments, appendixResult);
    return linkCallSiteTracing(caller, bootstrapMethod, name, type,
                               staticArguments, appendixResult);
}
static MemberName linkCallSiteImpl(Class<?> caller,
                                   MethodHandle bootstrapMethod,
                                   String name, MethodType type,
                                   Object staticArguments,
                                   Object[] appendixResult) {
    CallSite callSite = CallSite.makeSite(bootstrapMethod,
                                          name,
                                          type,
                                          staticArguments,
                                          caller);
    if (callSite instanceof ConstantCallSite) {
        appendixResult[0] = callSite.dynamicInvoker();
        return Invokers.linkToTargetMethod(type);
    } else {
        appendixResult[0] = callSite;
        return Invokers.linkToCallSiteMethod(type);
    }
}

caller 为 调用lambda 方法的类 Lambda [Class]

bootstrapMethod 为启动方法的句柄 [MethodHandler]

name 为lambda表达式实际类型中需要执行的方法名 acccept (Consumer.accept)

type 为生成的方法类型 ()Consumer [MethodType]

staticArguments 中包含了lambda方法的方法句柄 [MethodHandler] 及方法类型 [MethodType]

CallSite.makeSite 方法会生成调用点，最终调用如class文件中所示的 LambdaMetafactory.metafactory 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();
}

简单来将，所生成内部类作用，是为了生成调用点，并链接到invokedynamic指令，以便动态调用

如果一个类中，多次使用lambda表达式，会生成多少个方法，又会生成多少个内部类？

public class Lambda {
    private static void hello(String name, Consumer<String> printer) {
        printer.accept(name);
    }

    public static void main(String[] args) {
        hello("lambda1", (name) -> System.out.println("Hello " + name));
        hello("lambda2", (name) -> System.out.println("Hello " + name));
        new Thread(() -> {
            System.out.println("thread");
        }).start();
    }
}

上述示例中共使用了三处、两种(Consumer、Runnable)Lambda表达式，编译后查看class文件

对于每一个lambda表达式，都会生成一个静态的私有方法

再查看内部类

只会生成一个内部类，但存在三个方法，每个方法对应一个lambda私有方法，用以生成对应的调用点绑定到相应的invokedynamic指令上

结合以上我们可以总结出：

• lambda表达式会被编译为invokedynamic指令
• 每一个lambda表达式的实现逻辑均会被封装为一个静态私有方法
• 只要存在lambda表达式调用，便会生成一个内部类
• 内部类中每一个方法对应一个lambda表达式所生成的静态私有方法，内部类中的方法用以生成对应的调用点绑定到相应的invokedynamic指令上

这也解释了为什么lambda中的this指针指向的是 周围的类 (定义该Lambda表达式时所处的类) ( Lambda表达式里的"陷阱" )

所以，lambda表达式确实是语法糖，但并不是匿名类/内部类的语法糖