Java8 Lambda表达式原理扫盲
背景
在使用Lamdba表达式,一直以为是内部类的方式实现的,但是一想如果每次调用都实例化一个内部类,性能肯定不好,难道Java里的lambda表达式真的是这么实现的吗?也许是该研究下原理了。
正文
- 测试代码:
public class Test{
public void test() {
Runnable r = () -> System.out.println(123);
r.run();
}
}
执行编译命令javac -g Test.java,得到class文件。
- 查看字节码
查看字节码javap -p -verbose Test得到:
Classfile /Users/liushijie/learn/Test.class
Last modified Nov 20, 2018; size 1058 bytes
MD5 checksum febbe61fdc1f4564d2e039067752d6fc
Compiled from "Test.java"
public class Test
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #7.#21 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = InvokeDynamic #0:#26 // #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
#3 = InterfaceMethodref #27.#28 // java/lang/Runnable.run:()V
#4 = Fieldref #29.#30 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#5 = Methodref #31.#32 // java/io/PrintStream.println:(I)V
#6 = Class #33 // Test
#7 = Class #34 // java/lang/Object
#8 = Utf8 <init>
#9 = Utf8 ()V
#10 = Utf8 Code
#11 = Utf8 LineNumberTable
#12 = Utf8 LocalVariableTable
#13 = Utf8 this
#14 = Utf8 LTest;
#15 = Utf8 test
#16 = Utf8 r
#17 = Utf8 Ljava/lang/Runnable;
#18 = Utf8 lambda$test$0
#19 = Utf8 SourceFile
#20 = Utf8 Test.java
#21 = NameAndType #8:#9 // "<init>":()V
#22 = Utf8 BootstrapMethods
#23 = MethodHandle #6:#35 // invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#24 = MethodType #9 // ()V
#25 = MethodHandle #6:#36 // invokestatic Test.lambda$test$0:()V
#26 = NameAndType #37:#38 // run:()Ljava/lang/Runnable;
#27 = Class #39 // java/lang/Runnable
#28 = NameAndType #37:#9 // run:()V
#29 = Class #40 // java/lang/System
#30 = NameAndType #41:#42 // out:Ljava/io/PrintStream;
#31 = Class #43 // java/io/PrintStream
#32 = NameAndType #44:#45 // println:(I)V
#33 = Utf8 Test
#34 = Utf8 java/lang/Object
#35 = Methodref #46.#47 // java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#36 = Methodref #6.#48 // Test.lambda$test$0:()V
#37 = Utf8 run
#38 = Utf8 ()Ljava/lang/Runnable;
#39 = Utf8 java/lang/Runnable
#40 = Utf8 java/lang/System
#41 = Utf8 out
#42 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#43 = Utf8 java/io/PrintStream
#44 = Utf8 println
#45 = Utf8 (I)V
#46 = Class #49 // java/lang/invoke/LambdaMetafactory
#47 = NameAndType #50:#54 // metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#48 = NameAndType #18:#9 // lambda$test$0:()V
#49 = Utf8 java/lang/invoke/LambdaMetafactory
#50 = Utf8 metafactory
#51 = Class #56 // java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
#52 = Utf8 Lookup
#53 = Utf8 InnerClasses
#54 = Utf8 (Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#55 = Class #57 // java/lang/invoke/MethodHandles
#56 = Utf8 java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
#57 = Utf8 java/lang/invoke/MethodHandles
{
public Test();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LTest;
public void test();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=2, args_size=1
0: invokedynamic #2, 0 // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
5: astore_1
6: aload_1
7: invokeinterface #3, 1 // InterfaceMethod java/lang/Runnable.run:()V
12: return
LineNumberTable:
line 3: 0
line 4: 6
line 5: 12
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 13 0 this LTest;
6 7 1 r Ljava/lang/Runnable;
private static void lambda$test$0();
descriptor: ()V
flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_SYNTHETIC
Code:
stack=2, locals=0, args_size=0
0: getstatic #4 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: bipush 123
5: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
8: return
LineNumberTable:
line 3: 0
}
SourceFile: "Test.java"
InnerClasses:
public static final #52= #51 of #55; //Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles
BootstrapMethods:
0: #23 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
Method arguments:
#24 ()V
#25 invokestatic Test.lambda$test$0:()V
#24 ()V
通过字节码文件我们可以看到,编译出来的字节码文件中新增一些玩意:
- 常量池里(#2)多了一个以前没有见过的
InvokeDynamic指令 - 新增了一个静态私有方法:private static void lambda$test$0(),里面的内容正好是lambda表达式里的代码;
- 新增了一个
BootstrapMethods属性,内部包含一个动态调用点列表,因为测试代码只有一个lambda表达式,所以我们只能看到一个调用点
在运行时有一个链接(link)过程,在JVM层面调用。通过链接操作,调用上面3中的调用点,调用点在动态生成实现了FunctionInterface接口的类,方法中则调用2中新增的lambda$test$0方法,生成类之后通过构造函数实例化一个对象,被调用点持有,调用点有一个字的常量池。在调用invokedynamic指令之前会发生链接过程。下文引自:参考5
里面也有提到过多线程场景,略过不提。
Before the JVM can execute a dynamic call site (an invokedynamic instruction), the call site must first be linked. Linking is accomplished by calling a bootstrap method which is given the static information content of the call site, and which must produce a method handle that gives the behavior of the call site.
总结
通过一些验证和资料检索,大概了解lambda的原理,是使用指令与动态生成的内部类来完成调用,而且正常只会被链接一次。从这个点上来看,对性能是没有什么损失的,可以放心的使用。
问题
自己梳理的比较肤浅,没有深挖最底层的实现。LambdaMetafactory.metafactory动态调用点的链接过程比较长,如果有动态调用的场景应该是可以参考的。翻到过一篇问答(见参考6),暂时没找到合适的场景使用,没有深入下去的动力。
参考
- Lambda表达式实现方式
- InvokeDynamic指令JSR 292
- https://stackoverflow.com/questions/26775676/explicit-use-of-lambdametafactory
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/27159693
- https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/invoke/package-summary.html#package.description
- https://stackoverflow.com/questions/26775676/explicit-use-of-lambdametafactory
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