lambda表达式底层实现

news2024/10/1 5:01:17

一、lambda 代码 & 反编译

原始Java代码
假设我们有以下简单的Java程序,它使用Lambda表达式来遍历并打印一个字符串列表:

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class LambdaExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> items = Arrays.asList("Apple", "Banana", "Cherry");
        items.forEach(item -> System.out.println(item));
    }
}

public interface Iterable<T> {
	default void forEach(Consumer<? super T> action) {
	        Objects.requireNonNull(action);
	        for (T t : this) {
	            action.accept(t);
	        }
	    }
}

CFR反编译结果:

/*
 * Decompiled with CFR 0.152.
 */
import java.lang.invoke.LambdaMetafactory;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.function.Consumer;

public class LambdaExample {
    public static void main(String[] stringArray) {
        List<String> list = Arrays.asList("Apple", "Banana", "Cherry");
        list.forEach(
        (Consumer<String>)LambdaMetafactory.metafactory(
        null, 
        null, 
        null, 
        (Ljava/lang/Object;)V, 
        lambda$main$0(java.lang.String ), 
        (Ljava/lang/String;)V)());
    }

    private static /* synthetic */ void lambda$main$0(String string) {
        System.out.println(string);
    }
}

这是程序的主方法,它创建了一个包含三个字符串的列表,并使用forEach方法遍历这个列表。在原始的Java代码中,这里很可能使用了一个Lambda表达式来打印列表中的每个元素。在反编译的代码中,Lambda表达式被转换成了对LambdaMetafactory.metafactory方法的调用,这个方法在运行时动态生成了一个实现了Consumer接口的类的实例。因为forEach方法入参就是一个函数式接口Consumer<? super T>,即:最终返回Consumer实例对象

二、反编译代码详解

2.1 LambdaMetafactory lambda元工厂类 方法:metafactory

/**
	 * 为了支持Java编程语言中的ambda表达式和方法引用表达式特性,
	 * 本方法提供了一种简便的方式来创建实现一个或多个接口的“函数对象”。这些函数对象是通过委托给一个提供的{@link MethodHandle},
	 * 在适当的类型适配和参数的部分求值之后实现的。通常作为{@code invokedynamic}调用点的<em>引导方法</em>使用。
	 *
	 * <p>这是标准的、简化的元工厂方法;通过{@link #altMetafactory(MethodHandles.Lookup, String, MethodType, Object...)}
	 * 提供了额外的灵活性。关于此方法的行为的一般描述,请参见{@link LambdaMetafactory}。
	 *
	 * <p>当从此方法返回的{@code CallSite}的目标被调用时,生成的函数对象是实现由{@code invokedType}的返回类型命名的接口的类的实例,
	 * 声明了一个具有由{@code invokedName}和{@code samMethodType}给出的名称和签名的方法。它还可能覆盖来自{@code Object}的额外方法。
	 *
	 * @param caller 表示具有调用者访问权限的查找上下文。当与{@code invokedynamic}一起使用时,这由VM自动堆叠。
	 * @param invokedName 要实现的方法的名称。当与{@code invokedynamic}一起使用时,这由{@code InvokeDynamic}结构的{@code NameAndType}提供,并由VM自动堆叠。
	 * @param invokedType {@code CallSite}的预期签名。参数类型代表捕获变量的类型;返回类型是要实现的接口。当与{@code invokedynamic}一起使用时,这由{@code InvokeDynamic}结构的{@code NameAndType}提供,并由VM自动堆叠。如果实现方法是实例方法并且此签名有任何参数,则调用签名中的第一个参数必须对应于接收者。
	 * @param samMethodType 函数对象要实现的方法的签名和返回类型。
	 * @param implMethod 描述应在调用时调用的实现方法的直接方法句柄(适当地适配参数类型、返回类型,并将捕获的参数前置到调用参数中)。
	 * @param instantiatedMethodType 应在调用时动态强制执行的签名和返回类型。这可能与{@code samMethodType}相同,或可能是其特化版本。
	 * @return 一个CallSite,其目标可用于执行捕获,生成由{@code invokedType}命名的接口的实例
	 * @throws LambdaConversionException 如果违反了{@link LambdaMetafactory}中描述的任何链接不变量
	 */
    public static CallSite metafactory(MethodHandles.Lookup caller,
                                       String invokedName,
                                       MethodType invokedType,
                                       MethodType samMethodType,
                                       MethodHandle implMethod,
                                       MethodType instantiatedMethodType)
            throws LambdaConversionException {
         // 创建一个内部类Lambda元工厂实例,用于生成和验证lambda表达式的实现
		 AbstractValidatingLambdaMetafactory mf;
		 mf = new InnerClassLambdaMetafactory(caller, invokedType,
                                             invokedName, samMethodType,
                                             implMethod, instantiatedMethodType,
                                             false, EMPTY_CLASS_ARRAY, EMPTY_MT_ARRAY);
        // 验证元工厂方法的参数是否符合要求
        mf.validateMetafactoryArgs();
        // 构建并返回一个CallSite,它是lambda表达式或方法引用的动态调用点
        return mf.buildCallSite();
    }

java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metafactory 详解

metafactory是LambdaMetafactory中的一个静态方法,用于支持lambda表达式和方法引用表达式的动态实现。它是LambdaMetafactory类的一部分,该类是Java语言中lambda表达式和方法引用的底层支持机制。下面是对这段代码的详细解释:

  1. 方法的作用和目的
    这个方法的目的是为了动态创建一个实现特定接口的"函数对象"。这个函数对象通过委托给一个提供的MethodHandle(方法句柄),在适当的类型适配和参数的部分求值后,实现一个或多个接口。这通常用作invokedynamic调用点的引导方法(bootstrap method),以支持Java编程语言中的lambda表达式和方法引用表达式特性。

  2. 参数

    • 方法接收六个参数:callerinvokedNameinvokedTypesamMethodTypeimplMethodinstantiatedMethodType
      • caller:调用者,这个例子中就是LambdaExample类的MethodHandles.Lookup实例(每个类都可以通过调用MethodHandles.lookup()静态方法来获取一个与该类对应的MethodHandles.Lookup实例。这个Lookup实例代表了调用者的类,并且拥有创建方法句柄(MethodHandle)的权限,这些方法句柄可以访问调用者类中的成员,包括私有成员。),这个实例具有访问LambdaExample类中所有成员的权限。该参数是jvm自动填充。
      • invokedName:被调用方法的名称,在这个例子中,forEach方法接受一个java.util.function.Consumer类型的参数。Consumer接口定义了一个名为accept的抽象方法。因此,在这个上下文中,invokedName将是accept。 该参数是jvm自动填充。
      • invokedType:被调用方法的签名类型,这是一个java.lang.invoke.MethodType对象。在lambda表达式或方法引用的上下文中,invokedType描述了期望的调用点的签名,包括参数类型和返回类型。具体来说,invokedType参数定义了:
        ①调用点期望的参数类型,这些参数类型代表了lambda表达式或方法引用捕获的变量类型(如果有的话)。
        ②调用点期望的返回类型,这通常是一个函数式接口的类型,lambda表达式或方法引用将会生成一个实现了这个接口的对象。 在这个例子中,forEach方法接受一个java.util.function.Consumer类型的参数。Consumer接口定义了一个接受单个String参数且返回void的accept方法。因此,在这个上下文中,invokedType将是Consumer的方法签名,即接受一个String参数且返回void的方法类型。 该参数是jvm自动填充。
      • samMethodType:java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metafactory方法的参数samMethodType指的是单抽象方法(Single Abstract Method, SAM)的方法类型。这是一个java.lang.invoke.MethodType对象,它描述了目标函数式接口中单个抽象方法的签名,包括参数类型和返回类型。
        在使用lambda表达式或方法引用时,通常会有一个函数式接口作为目标类型。函数式接口是指仅定义一个抽象方法的接口。samMethodType参数正是用来描述这个抽象方法的签名。在这个例子中,forEach方法接受一个java.util.function.Consumer类型的参数。Consumer是一个函数式接口,它定义了一个名为accept的抽象方法,该方法接受一个类型为T的参数并返回void。对于这个特定的例子,T是String类型,因此accept方法的签名是(String) -> void。
      • implMethod:java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metafactory方法的参数implMethod指的是实现方法的MethodHandle。这个MethodHandle代表了lambda表达式或方法引用的实际实现体。在lambda表达式或方法引用被转换成动态方法调用时,implMethod就是那个被调用以执行具体操作的方法。
        具体来说,implMethod参数描述了:
        ①方法的实现:这是lambda表达式或方法引用中定义的逻辑的实际代码位置。
        ②方法的签名:通过MethodHandle的类型,它还隐含地指定了方法的参数类型和返回类型。
        在这个例子中,lambda表达式item -> System.out.println(item)对应的implMethod就是System.out.println(String)方法的MethodHandle。这个MethodHandle指向PrintStream类中的println(String)方法,这是因为System.out是一个PrintStream的实例。
      • instantiatedMethodType:指的是实例化方法的类型。这是一个java.lang.invoke.MethodType对象,它描述了在生成的lambda表达式或方法引用的实例中,目标方法的签名。具体来说,它定义了lambda表达式或方法引用在实现函数式接口时,该接口中抽象方法的调用签名,包括参数类型和返回类型。在这个例子中,forEach方法接受一个java.util.function.Consumer类型的参数。Consumer是一个函数式接口,它定义了一个名为accept的抽象方法,该方法接受一个类型为String的参数并返回void。因此,对于这个特定的例子,instantiatedMethodType将是描述accept方法签名的MethodType对象,即接受一个String参数且返回void的方法类型。
  3. 逻辑解释

    • AbstractValidatingLambdaMetafactory mf;:声明一个AbstractValidatingLambdaMetafactory类型的变量mf,这是一个抽象类,用于验证lambda工厂的参数。
    • mf = new InnerClassLambdaMetafactory(caller, invokedType, invokedName, samMethodType, implMethod, instantiatedMethodType, false, EMPTY_CLASS_ARRAY, EMPTY_MT_ARRAY);:实例化mfInnerClassLambdaMetafactory对象,这个对象负责创建实现特定接口的函数对象。传入的参数包括调用者的查找上下文、被调用方法的名称和类型、SAM(Single Abstract Method)接口的方法类型、实现方法的方法句柄、以及实例化方法的类型。false表示这个lambda对象不需要是可序列化的,EMPTY_CLASS_ARRAYEMPTY_MT_ARRAY分别表示没有额外的接口和方法类型需要被实现或适配。
    • mf.validateMetafactoryArgs();:调用mfvalidateMetafactoryArgs方法进行参数验证,确保传入的参数满足lambda表达式和方法引用的链接要求。
    • return mf.buildCallSite();:调用mfbuildCallSite方法构建并返回一个CallSite对象,这个对象的目标可以用来执行捕获,生成实现了指定接口的实例。

    CallSite是Java中的一个类,它代表了一个动态方法调用点。在Java7的动态语言支持中,CallSite提供了一种机制,允许方法调用的行为在运行时动态改变,而不是在编译时静态确定。这对于实现动态类型语言或支持某些高级动态特性的静态类型语言(如Java中的lambda表达式和方法引用)非常有用。CallSite对象包含一个称为目标(target)的MethodHandle,这个MethodHandle实际上定义了调用点的行为。当对CallSite进行方法调用时,实际上是在调用其目标MethodHandle
    Java中的CallSite几种不同的类型,包括:

    • MethodHandleNatives.CallSite:这是最基本CallSite,直接关联一个MethodHandle作为其调用目标。
    • ConstantCallSite:一个不可变CallSite,其目标在构造时被设置,并且之后不能改变。这对于那些不需要改变的方法调用非常有用,可以提供更好的性能。
    • MutableCallSite:一个可变CallSite,允许改变其目标MethodHandle。这对于需要根据运行时条件改变调用行为的情况非常有用。
    • VolatileCallSite:类似于MutableCallSite,但是对目标MethodHandle的更新是volatile的,确保了线程安全

    CallSiteMethodHandle是Java对动态语言特性的支持的核心部分,它们使得Java能够以更灵活和动态的方式处理方法调用,支持如lambda表达式和方法引用等现代编程特性。

    metafactory方法返回的调用点是CallSite的一个实例。具体来说,根据LambdaMetafactory的实现,它通常返回的是ConstantCallSite的一个实例ConstantCallSiteCallSite的一个子类,它表示一个不可变的调用点。一旦ConstantCallSite的目标方法句柄(MethodHandle)被设置,它就不会改变。这种特性使得ConstantCallSite非常适合于lambda表达式和方法引用的场景,因为这些场景中的目标方法通常在创建时就已经确定,并且在其生命周期内不需要改变。
    ·
    LambdaMetafactory的上下文中,metafactory方法通过动态生成的类来实现函数接口,并创建一个指向这个实现的方法句柄(MethodHandle)。然后,这个方法句柄被用作ConstantCallSite的目标,从而创建一个CallSite实例。这个CallSite实例在被调用时,会直接调用那个实现了函数接口的动态生成类的方法。

这段代码通过动态创建和配置CallSite对象,支持了Java中lambda表达式和方法引用表达式的动态实现。

2.2、InnerClassLambdaMetafactory

InnerClassLambdaMetafactory构造函数、buildCallSite构建CallSite调用点

 /**
	 * 构造函数:创建一个内部类Lambda元工厂的实例。
	 * 该构造函数用于支持标准情况以及允许序列化或桥接等不常见选项。
	 *
	 * @param caller 由VM自动堆叠;代表具有调用者访问权限的查找上下文。
	 * @param invokedType 由VM自动堆叠;被调用方法的签名,包括返回的lambda对象的预期静态类型,
	 *                    以及lambda捕获参数的静态类型。如果实现方法是实例方法,调用签名的第一个参数将对应于接收者。
	 * @param samMethodName 转换为lambda或方法引用的函数接口中的方法名称,表示为String。
	 * @param samMethodType 转换为lambda或方法引用的函数接口中的方法类型,表示为MethodType。
	 * @param implMethod 应当被调用的实现方法(适当调整参数类型、返回类型和捕获参数后),当调用结果函数接口实例的方法时。
	 * @param instantiatedMethodType 在从捕获站点实例化类型变量后,主要函数接口方法的签名。
	 * @param isSerializable lambda是否应该是可序列化的?如果设置,目标类型或一个附加的SAM类型必须扩展{@code Serializable}。
	 * @param markerInterfaces lambda对象应该实现的附加接口。
	 * @param additionalBridges 额外的签名,这些签名将被桥接到实现方法。
	 * @throws LambdaConversionException 如果违反了元工厂协议的任何不变量。
	 */
    public InnerClassLambdaMetafactory(MethodHandles.Lookup caller,
                                       MethodType invokedType,
                                       String samMethodName,
                                       MethodType samMethodType,
                                       MethodHandle implMethod,
                                       MethodType instantiatedMethodType,
                                       boolean isSerializable,
                                       Class<?>[] markerInterfaces,
                                       MethodType[] additionalBridges)
            throws LambdaConversionException {
        // 调用父类构造函数,初始化基本参数
	    super(caller, invokedType, samMethodName, samMethodType,
	          implMethod, instantiatedMethodType,
	          isSerializable, markerInterfaces, additionalBridges);
	    // 初始化实现方法的类名,将'.'替换为'/'
	    implMethodClassName = implDefiningClass.getName().replace('.', '/');
	    // 初始化实现方法的名称
	    implMethodName = implInfo.getName();
	    // 初始化实现方法的描述符
	    implMethodDesc = implMethodType.toMethodDescriptorString();
	    // 初始化实现方法返回类型的类
	    implMethodReturnClass = (implKind == MethodHandleInfo.REF_newInvokeSpecial)
	            ? implDefiningClass
	            : implMethodType.returnType();
	    // 初始化生成类构造函数的类型
	    constructorType = invokedType.changeReturnType(Void.TYPE);
	    // 生成并初始化lambda类的名称
	    lambdaClassName = targetClass.getName().replace('.', '/') + "$$Lambda$" + counter.incrementAndGet();
	    // 【重要⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️】初始化ASM类写入器
	    cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
	    // 初始化构造函数参数名称和描述符数组
	    int parameterCount = invokedType.parameterCount();
	    if (parameterCount > 0) {
	       // 初始化参数名和参数描述数组,大小为方法参数的数量
			argNames = new String[parameterCount];
			argDescs = new String[parameterCount];
			// 遍历所有参数,生成参数名和参数描述
			for (int i = 0; i < parameterCount; i++) {
			    // 为每个参数生成一个唯一的名称,格式为"arg$序号"
			    argNames[i] = "arg$" + (i + 1);
			    // 使用BytecodeDescriptor工具类将参数类型转换为字符串描述形式
			    argDescs[i] = BytecodeDescriptor.unparse(invokedType.parameterType(i));
			}

	    } else {
	        // 当调用类型参数计数为0时,初始化参数名和参数描述数组为空字符串数组
			argNames = argDescs = EMPTY_STRING_ARRAY;
	    }
    }


   /**
	 * 构建CallSite。生成实现功能接口的类文件,定义类,如果没有参数则创建类的实例,
	 * 该实例将由CallSite返回,否则,生成的句柄将调用类的构造函数。
	 *
	 * @return CallSite,调用时,将返回一个功能接口的实例
	 * @throws ReflectiveOperationException 反射操作异常
	 * @throws LambdaConversionException 如果没有找到正确形式的功能接口
	 */
    @Override
    CallSite buildCallSite() throws LambdaConversionException {
         // 生成实现了函数接口的内部类
	    final Class<?> innerClass = spinInnerClass();
	    // 如果调用类型没有参数,即无需捕获的变量
	    if (invokedType.parameterCount() == 0) {
	        // 通过反射获取一个内部类的所有构造函数,并在只有一个构造函数的情况下,将这个唯一的构造函数设置为可访问的。
	        final Constructor<?>[] ctrs = AccessController.doPrivileged(
	                new PrivilegedAction<Constructor<?>[]>() {
	            @Override
	            public Constructor<?>[] run() {
	            	// 返回了innerClass(内部类)的所有构造函数,包括私有的。
	                Constructor<?>[] ctrs = innerClass.getDeclaredConstructors();
	                if (ctrs.length == 1) {
	                    // 如果只有一个构造函数,设置为可访问
	                    ctrs[0].setAccessible(true);
	                }
	                return ctrs;
	            }
	                });
	        // 确保只有一个构造函数
	        if (ctrs.length != 1) {
	            throw new LambdaConversionException("Expected one lambda constructor for "
	                    + innerClass.getCanonicalName() + ", got " + ctrs.length);
	        }
	
	        try {
	            // 通过构造函数实例化对象
	            Object inst = ctrs[0].newInstance();
	            // 创建并返回一个持有lambda对象的ConstantCallSite
	            return new ConstantCallSite(MethodHandles.constant(samBase, inst));
	        }
	        catch (ReflectiveOperationException e) {
	            throw new LambdaConversionException("Exception instantiating lambda object", e);
	        }
	    } else {
	        // 如果有参数,需要通过静态方法来创建CallSite
	        try {
	            // 确保类已经被完全初始化
	            UNSAFE.ensureClassInitialized(innerClass);
	            // 查找静态方法并创建CallSite
	            return new ConstantCallSite(
	                    MethodHandles.Lookup.IMPL_LOOKUP
	                         .findStatic(innerClass, NAME_FACTORY, invokedType));
	        }
	        catch (ReflectiveOperationException e) {
	            throw new LambdaConversionException("Exception finding constructor", e);
	        }
	    }
    }

/**
	 * 生成并返回一个实现了功能接口的类文件。
	 *
	 * @implNote 生成的类文件不包含SAM方法可能存在的异常签名信息,
	 * 旨在减少类文件大小。这是无害的,因为已检查的异常会被擦除,
	 * 没有人会针对这个类文件进行编译,我们不保证lambda对象的反射属性。
	 *
	 * @return 实现了功能接口的类
	 * @throws LambdaConversionException 如果没有找到正确形式的功能接口
	 */
	private Class<?> spinInnerClass() throws LambdaConversionException {
		// 构建一个字符串数组 interfaces,该数组包含了要实现的接口的内部名称(即将.替换为/的全限定类名),同时确保没有重复的接口,并检查是否意外地实现了 Serializable 接口。
	    String[] interfaces;
	    // 获取函数式接口的内部名称,将.替换为/。
	    String samIntf = samBase.getName().replace('.', '/');
	    // 检查基础函数式接口是否意外实现了 Serializable 接口。
	    boolean accidentallySerializable = !isSerializable && Serializable.class.isAssignableFrom(samBase);
	    // 如果没有额外的标记接口,直接使用函数式接口的内部名称作为 interfaces 的唯一元素。
	    if (markerInterfaces.length == 0) {
	        interfaces = new String[]{samIntf};
	    } else {
	        // 如果 markerInterfaces 非空,确保没有重复的接口(ClassFormatError),使用 LinkedHashSet 来存储接口名称,确保不会有重复。
	        Set<String> itfs = new LinkedHashSet<>(markerInterfaces.length + 1);
	        // 将函数式接口的内部名称添加到集合中
	        itfs.add(samIntf);
	        // 遍历额外的标记接口,将它们的内部名称添加到集合中,并检查是否意外实现了 Serializable 接口。
	        for (Class<?> markerInterface : markerInterfaces) {
	            itfs.add(markerInterface.getName().replace('.', '/'));
	            accidentallySerializable |= !isSerializable && Serializable.class.isAssignableFrom(markerInterface);
	        }
	        // 将接口名称集合转换为字符串数组。
	        interfaces = itfs.toArray(new String[itfs.size()]);
	    }
		/**
		cw 是 ClassWriter 的实例,它是 ASM(一个通用的 Java 字节码操作和分析框架)库中的一个类。ClassWriter 用于动态生成类或接口的二进制字节码。在上下文中,cw 被用来构建和定义一个新的类,这个类是在运行时动态生成的,用于实现特定的功能接口,通常是为了支持 Java 中的 lambda 表达式。
通过调用 ClassWriter 的方法,如 visit、visitMethod 和 visitField,可以分别定义类的基本信息、方法和字段。最终,通过调用 cw.toByteArray() 方法,可以获取到这个动态生成的类的字节码数组,这个数组可以被加载到 JVM 中,从而创建出一个新的类实例。
		*/
		// 定义了一个类,这个类是final和synthetic的,继承自Object类,并实现了interfaces数组中指定的接口。lambdaClassName是这个类的名称。
		// 其中:
		// 	ACC_FINAL 表示这个类是final的
		//	ACC_SYNTHETIC 表示这个类是synthetic的,synthetic标记表明这个类是由编译器自动生成的,而非直接来自源代码。
		//	lambdaClassName 是动态生成的类名
	    cw.visit(CLASSFILE_VERSION, ACC_SUPER + ACC_FINAL + ACC_SYNTHETIC,
	             lambdaClassName, null,
	             JAVA_LANG_OBJECT, interfaces);
	
	    // 生成构造函数中要填充的最终字段
	    for (int i = 0; i < argDescs.length; i++) {
	    	// 生成一个private final字段来存储这些参数的值。
	        FieldVisitor fv = cw.visitField(ACC_PRIVATE + ACC_FINAL,
	                                        argNames[i],
	                                        argDescs[i],
	                                        null, null);
	        /**
				这行代码的作用是结束一个字段的访问。在ASM中,每当开始定义一个新的字段时,都会通过调用visitField方法返回一个FieldVisitor对象,通过这个对象可以定义字段的属性。当字段的定义结束时,需要调用visitEnd方法来标志这个过程的结束。
			*/                                
	        fv.visitEnd();
	    }
		// 生成构造函数
	    generateConstructor();
		// 判断是检查invokedType(lambda表达式的目标类型)是否有参数。
	    if (invokedType.parameterCount() != 0) {
	    	// 这个方法的作用是生成工厂方法。工厂方法是一个特殊的方法,用于动态生成并返回实现了函数式接口的类的实例。这个过程通常涉及到字节码的生成和类的加载。
	        generateFactory();
	    }
	
	    /**
		    这行代码通过调用 ClassWriter 的 visitMethod 方法创建了一个新的方法。这个方法的访问级别是 public,方法名是 samMethodName,这是一个从外部传入的参数,表示要实现的SAM接口中的方法名。samMethodType.toMethodDescriptorString() 将方法的签名转换为字符串形式,用于定义方法的参数类型和返回类型。最后两个 null 参数分别表示这个方法的签名和异常,这里不使用这些高级特性,所以传入 null。
		*/
	    MethodVisitor mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, samMethodName,
	                                      samMethodType.toMethodDescriptorString(), null, null);
	    // 这行代码给刚才创建的方法添加了一个注解 LambdaForm$Hidden。这个注解是内部使用的,用于标记这个方法不应该被外部调用或者看到。true 参数表示这个注解是在运行时可见的。
	    mv.visitAnnotation("Ljava/lang/invoke/LambdaForm$Hidden;", true);
	    // 这行代码实际上是生成方法体的关键步骤。它创建了一个 ForwardingMethodGenerator 对象,这个对象负责生成方法体的字节码。generate 方法接受一个 MethodType 对象 samMethodType 作为参数,这个对象描述了SAM接口方法的参数类型和返回类型。generate 方法根据这个信息,动态生成字节码,这些字节码实现了将调用转发到实际的目标方法上。
	    new ForwardingMethodGenerator(mv).generate(samMethodType);
	
	
	    /**
			这段代码的主要作用是为了生成桥接方法(Bridge Methods),这些方法用于处理泛型擦除后的类型不匹配问题。在Java中,泛型信息在编译时会被擦除,而桥接方法则用于在运行时保持类型的正确性。这段代码是在动态生成的类中添加这些桥接方法的过程。
	    */
	    // additionalBridges 是一个包含了需要生成桥接方法的 MethodType 对象的数组。
	    if (additionalBridges != null) {
	        for (MethodType mt : additionalBridges) {
	        	// 为每个桥接方法类型生成方法:通过调用 cw.visitMethod 方法生成桥接方法。这里的 cw 是一个 ClassWriter 对象,用于动态生成类的字节码。ACC_PUBLIC|ACC_BRIDGE 是方法的访问标志,表示这是一个公开的桥接方法。samMethodName 是要实现的函数式接口的方法名,mt.toMethodDescriptorString() 将方法类型转换为方法描述符字符串,用于指定方法的签名。
	            mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC|ACC_BRIDGE, samMethodName,
	                                mt.toMethodDescriptorString(), null, null);
				// 添加方法注解:通过调用 mv.visitAnnotation 方法为生成的桥接方法添加注解。这里的注解是 "Ljava/lang/invoke/LambdaForm$Hidden;",表示这个方法是由lambda表达式生成的,不应该被直接调用。
	            mv.visitAnnotation("Ljava/lang/invoke/LambdaForm$Hidden;", true);
	            // 生成方法体:通过创建一个新的 ForwardingMethodGenerator 对象并调用其 generate 方法来生成桥接方法的方法体。这个方法体基本上是将调用转发到实际的实现方法上。
	            new ForwardingMethodGenerator(mv).generate(mt);
	        }
	    }
	
		/**
			这段代码的作用是根据是否需要序列化,生成对应的方法。具体来说,如果需要生成的类是可序列化的,则生成序列化友好的方法;如果不是故意的可序列化(即无意中成为可序列化的),则生成序列化敌对的方法。最后,调用 cw.visitEnd() 来完成类的定义。

				1.判断是否需要序列化:通过 if (isSerializable) 判断,如果 isSerializable 为 true,则表示需要生成的类是可序列化的,此时会调用 generateSerializationFriendlyMethods() 方法生成序列化友好的方法。
				2.判断是否无意中成为可序列化:如果 isSerializable 为 false,则进入 else if (accidentallySerializable) 判断,accidentallySerializable 为 true 表示类无意中成为了可序列化的(例如,通过实现了某个可序列化的接口)。此时会调用 generateSerializationHostileMethods() 方法生成序列化敌对的方法,这可能是为了避免序列化带来的潜在问题或性能影响。
				3.完成类的定义:无论是否需要序列化,最后都会执行 cw.visitEnd(),这是ASM库中的方法,用于完成类的定义。这一步是生成类文件的最后一步,标志着类定义的结束。
		*/
	    if (isSerializable)
	        generateSerializationFriendlyMethods();
	    else if (accidentallySerializable)
	        generateSerializationHostileMethods();
	
	    cw.visitEnd();
	
		// 这行代码调用 ClassWriter 对象的 toByteArray 方法,将动态生成的类转换为字节码数组。cw 是 ClassWriter 的实例,它负责生成类的字节码。
	    final byte[] classBytes = cw.toByteArray();
	
		/**
			这段代码首先检查 dumper 对象是否为 null。dumper 是一个可能用于将字节码写入文件的工具对象。如果 dumper 不为 null,则执行以下步骤:
				1.使用 AccessController.doPrivileged 方法执行一个特权操作。这是因为写入文件可能需要特定的权限,特别是在启用了安全管理器的环境中。
				2.在 doPrivileged 方法中,执行一个 PrivilegedAction,其 run 方法调用 dumper.dumpClass 方法,将类名 lambdaClassName 和字节码数组 classBytes 传递给它,以便将字节码写入文件。
				3.doPrivileged 方法的第二个参数是 null,表示不使用特定的 AccessControlContext。
				4.第三和第四个参数是 FilePermission 和 PropertyPermission 对象,分别授予读写所有文件的权限和读取用户当前目录的权限。这些权限是执行文件写入操作所必需的。
		*/
	    // 转储到文件
	    if (dumper != null) {
	        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
	            @Override
	            public Void run() {
	                dumper.dumpClass(lambdaClassName, classBytes);
	                return null;
	            }
	        }, null,
	        new FilePermission("<<ALL FILES>>", "read, write"),
	        // 创建目录可能需要它
	        new PropertyPermission("user.dir", "read"));
	    }
	    /**
	    	1.代码的作用
				下面这段代码的作用是在运行时动态定义一个匿名类。UNSAFE.defineAnonymousClass 方法接收三个参数:目标类(targetClass),类的字节码(classBytes),以及与类相关联的常量池补丁(这里传入的是 null)。
			2.代码的结构和逻辑
				2.1 targetClass:这是一个 Class 对象,表示新定义的匿名类将与之关联的上下文。通常,这个类是匿名类逻辑上的“宿主”类。
				2.2 classBytes:这是一个字节数组,包含了新匿名类的字节码。这些字节码通常是通过某种字节码生成库(如ASM)动态生成的。
				2.3 null:这个参数是用于类定义时的常量池补丁,这里传入 null 表示不需要进行常量池的补丁。
			3.关键代码块或语句的解释
				3.1 UNSAFE:这是 sun.misc.Unsafe 类的一个实例。Unsafe 类提供了一组底层、危险的操作,通常不推荐在标准Java代码中使用。但在某些特殊场景下,如动态类生成、低级并发控制等,Unsafe 提供的功能是必需的。
				3.2 .defineAnonymousClass(targetClass, classBytes, null):这个方法调用是动态定义匿名类的关键。它将 classBytes 中的字节码转换为一个Java类,并将这个新类与 targetClass 关联起来。由于这个类是匿名的,它没有正式的类名。传入的 null 参数表示在定义类的过程中不需要对常量池进行任何补丁操作。
	    */
	
		// 通过 Unsafe 类的 defineAnonymousClass 方法动态定义了一个匿名类,这个类的字节码由 classBytes 提供,而这个匿名类在逻辑上与 targetClass 关联。
	    return UNSAFE.defineAnonymousClass(targetClass, classBytes, null);
	}

四、利用java.lang.invoke.InnerClassLambdaMetafactory#dumper 转储lambda文件

// 静态初始化块,用于初始化dumper
	static {
	    /**
		 * 获取并设置代理类转储功能
		 */
		// 定义系统属性的键名,用于控制是否转储内部lambda代理类
		final String key = "jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses";
		
		// 使用AccessController执行特权操作,获取系统属性值
		String path = AccessController.doPrivileged(
		        new GetPropertyAction(key), // 创建获取属性的动作
		        null, // 不指定AccessControlContext
		        new PropertyPermission(key , "read") // 指定所需的权限
		);

		// 根据获取的路径创建ProxyClassesDumper实例
		// 如果路径为null,则不启用转储功能
		dumper = (null == path) ? null : ProxyClassesDumper.getInstance(path);

	}

JVM参数:jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses
命令:java -Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses ClassName
转储得到内部类
反编译:java -jar cfr-0.152.jar LambdaExample.class --decodelambdas false

步骤一:源码

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class LambdaExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> items = Arrays.asList("Apple", "Banana", "Cherry");
        items.forEach(item -> System.out.println(item));
    }
}

步骤二:编译,生成LambdaExample.class 文件

javac LambdaExample.java

步骤三:执行java命令,生成文件:LambdaExample$$Lambda$1.class

java -Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses LambdaExample

这个命令是用来调试和分析 Java 中 lambda 表达式的底层实现的。具体解释如下:

  1. -D 参数:
    用于设置系统属性。

  2. jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses
    这是一个特殊的系统属性,用于指示 JVM 将 lambda 表达式生成的代理类保存到磁盘。

  3. LambdaExample
    这是要运行的包含 lambda 表达式的 Java 类名。

当你运行这个命令时,JVM 会执行以下操作:

  1. 运行 LambdaExample 类。
  2. 对于该类中的每个 lambda 表达式,JVM 会生成一个代理类。
  3. 这些生成的代理类会被保存到磁盘上,通常在当前工作目录下。

这个功能主要用于:

  • 分析 lambda 表达式的底层实现
  • 调试复杂的 lambda 表达式
  • 了解 JVM 如何处理和优化 lambda 表达式

生成的代理类文件名通常遵循这样的模式:
主类名$Lambda$序号.class

步骤四:生成反编译代码:lambda内部类

java -jar cfr-0.152.jar 'LambdaExample$$Lambda$1.class' --decodelambdas false

mac电脑,此处LambdaExample$$Lambda$1.class需要带引号,因为在命令行中,$ 是一个特殊字符,用于引用变量。在这个上下文中,$$ 容易被解释为当前 shell 进程的 PID(进程ID),而不是文件名的一部分。所以你需要用引号将文件名括起来,这样可以防止 shell 解释 $ 字符。

/*
 * Decompiled with CFR 0.152.
 */
import java.lang.invoke.LambdaForm;
import java.util.function.Consumer;

final class LambdaExample$$Lambda$1
implements Consumer {
    private LambdaExample$$Lambda$1() {
    }

    @LambdaForm.Hidden
    public void accept(Object object) {
        LambdaExample.lambda$main$0((String)object);
    }
}

这段代码是由Java编译器为lambda表达式生成的内部类。让我们逐部分解析:

  1. final class LambdaExample$$Lambda$1

    • 这是一个自动生成的内部类,名称中的 $$Lambda$1 表示它是为第一个lambda表达式生成的。
    • final 关键字表示这个类不能被继承。
  2. implements Consumer

    • 这个类实现了 Consumer 接口,这是Java 8引入的函数式接口之一。
  3. private LambdaExample$$Lambda$1()

    • 这是一个私有构造函数,防止外部直接实例化这个类。
  4. @LambdaForm.Hidden

    • 这是一个内部注解,用于标记这个方法不应该在堆栈跟踪中显示。
  5. public void accept(Object object)

    • 这是 Consumer 接口中定义的方法。
    • 方法接受一个 Object 类型的参数。
  6. LambdaExample.lambda$main$0((String)object);

    • 这行代码调用了 LambdaExample 类中的一个静态方法 lambda$main$0
    • 参数 object 被强制转换为 String 类型。

这个生成的类实际上是lambda表达式的一个"包装器"。它将lambda表达式封装成一个实现了 Consumer 接口的具体类。当lambda表达式被调用时,它会调用 LambdaExample 类中相应的静态方法(在这里是 lambda$main$0)。

这种实现方式允许Java在不使用匿名内部类的情况下支持lambda表达式,从而提高了性能和减少了内存使用。

三、结论

lambda 底层实现机制
1.lambda 表达式的本质:函数式接口的匿名子类的匿名对象
2.lambda表达式是语法糖

语法糖:编码时是lambda简洁的表达式,在字节码期,语法糖会被转换为实际复杂的实现方式,含义不变;即编码表面有个糖衣,在编译期会被脱掉

Lambda表达式的编译及运行过程如下:

在这里插入图片描述

编译阶段

  1. Lambda表达式识别

    • 编译器识别Lambda表达式,将其转换为静态方法。
  2. 生成invokedynamic指令

    • 编译器为每个Lambda表达式生成一个invokedynamic指令。
    • 指定LambdaMetafactory.metafactory或altMetafactory作为引导方法。
  3. ASM使用

    • 编译器可能使用ASM库生成或修改字节码。

运行阶段

  1. 引导方法(Bootstrap Method)调用

    • 当JVM首次遇到某个invokedynamic指令时,它会调用指定的引导方法。对于Lambda表达式,这个引导方法通常是LambdaMetafactorymetafactory方法。
  2. LambdaMetafactory调用

    • 引导方法(通常是LambdaMetafactory.metafactory)被调用。
    • 接收参数:MethodHandles.Lookup、函数式接口信息、Lambda方法信息等。
  3. 创建CallSite对象

    • 引导方法的任务之一是创建一个CallSite对象。CallSite是一个抽象类,它代表了一个动态方法调用点。它的具体实现类(如ConstantCallSite)封装了对特定方法的调用。
    • CallSite对象持有一个MethodHandle,这个MethodHandle指向实际要执行的方法。对于Lambda表达式,这个方法是Lambda表达式转换成的方法。
  4. 绑定MethodHandle

    • 在创建CallSite对象时,引导方法会根据Lambda表达式的目标类型和实际代码,构造一个MethodHandle。这个MethodHandle直接指向了包含Lambda表达式代码的方法。
    • 然后,这个MethodHandle被绑定到CallSite对象上。这意味着,当通过这个CallSite调用方法时,实际上是通过绑定的MethodHandle来调用Lambda表达式对应的方法。
  5. 返回CallSite对象

    • 引导方法返回CallSite对象给JVM。这个CallSite对象随后被用于所有对该invokedynamic指令的调用。
    • 由于CallSite对象已经绑定了对应的MethodHandle,因此每次通过这个CallSite调用方法时,都会直接调用到Lambda表达式对应的方法,无需再次解析。
  6. InnerClassLambdaMetafactory使用
    InnerClassLambdaMetafactory用于动态生成实现函数式接口的类。这个过程主要通过spinInnerClass方法实现。

  7. spinInnerClass方法
    spinInnerClass方法的主要任务是动态生成一个类,这个类实现了指定的函数式接口,并包含了Lambda表达式的代码。这个方法通过直接操作字节码来创建类,通常使用ASM库来完成。

  8. 使用Unsafe生成匿名类
    spinInnerClass方法可能会通过Unsafe类的功能来加载生成的字节码。Unsafe是JDK内部的一个类,提供了一些底层操作,比如直接内存访问、线程调度等。其中,Unsafe.defineAnonymousClass方法可以用来加载一个类的字节码,并返回这个类的Class对象。这个方法允许动态生成的类没有对应的.class文件。

  9. 生成匿名类的过程

    1. 生成字节码

      • spinInnerClass方法使用ASM库生成实现了函数式接口的类的字节码。这个类包含了Lambda表达式的实现代码。
    2. 加载类

      • 使用Unsafe.defineAnonymousClass方法加载生成的字节码。这个方法接受三个参数:父类的Class对象、字节码数组、以及与类相关的常量池补丁。这个方法返回新加载的类的Class对象。
    3. 实例化

      • 通过反射或其他机制,使用返回的Class对象创建实例。这个实例实现了指定的函数式接口,并包含了Lambda表达式的代码。
  10. 绑定到CallSite

    • 创建一个MethodHandle,指向新生成的类的实例方法。这个MethodHandle随后被绑定到CallSite对象上,用于后续的方法调用。

注意

  • Unsafe类的使用通常不推荐,因为它提供了很多强大但危险的底层操作。在JDK 9及以后版本中,Unsafe类的一些功能被限制或替换,以促进更安全的编程实践。
  • JDK的具体实现细节可能会随着版本变化。上述过程主要描述了一种通过Unsafe加载动态生成类的方法,但实际的实现可能会有所不同。
  1. Lambda表达式执行
  • 当调用Lambda表达式时,通过CallSite间接调用动态生成的类中的方法。

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