15 Java语法糖与Java编译器
在前面的篇章中,我们多次提到了Java语法和Java字节码的差异之处。这些差异之处都是通过Java编译器来协调的。今天我们便来列举一下Java编译器的协调工作。
自动装箱与自动拆箱
首先要提到的便是Java的自动装箱(auto-boxing)和自动拆箱(auto-unboxing)。
我们知道,Java语言拥有8个基本类型,每个基本类型都有对应的包装(wrapper)类型。
之所以需要包装类型,是因为许多Java核心类库的API都是面向对象的。举个例子,Java核心类库中的容器类,就只支持引用类型。
当需要一个能够存储数值的容器类时,我们往往定义一个存储包装类对象的容器。
对于基本类型的数值来说,我们需要先将其转换为对应的包装类,再存入容器之中。在Java程序中,这个转换可以是显式,也可以是隐式的,后者正是Java中的自动装箱。
public int foo() {
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(0);
int result = list.get(0);
return result;
}
以上图中的Java代码为例。我构造了一个Integer类型的ArrayList,并且向其中添加一个int值0。然后,我会获取该ArrayList的第0个元素,并作为int值返回给调用者。这段代码对应的Java字节码如下所示:
public int foo();
Code:
0: new java/util/ArrayList
3: dup
4: invokespecial java/util/ArrayList."<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: iconst_0
10: invokestatic java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
13: invokevirtual java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z
16: pop
17: aload_1
18: iconst_0
19: invokevirtual java/util/ArrayList.get:(I)Ljava/lang/Object;
22: checkcast java/lang/Integer
25: invokevirtual java/lang/Integer.intValue:()I
28: istore_2
29: iload_2
30: ireturn
当向泛型参数为Integer的ArrayList添加int值时,便需要用到自动装箱了。在上面字节码偏移量为10的指令中,我们调用了Integer.valueOf方法,将int类型的值转换为Integer类型,再存储至容器类中。
public static Integer valueOf(int i) {
if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
return new Integer(i);
}
这是Integer.valueOf的源代码。可以看到,当请求的int值在某个范围内时,我们会返回缓存了的Integer对象;而当所请求的int值在范围之外时,我们则会新建一个Integer对象。
在介绍反射的那一篇中,我曾经提到参数java.lang.Integer.IntegerCache.high。这个参数将影响这里面的IntegerCache.high。
也就是说,我们可以通过配置该参数,扩大Integer缓存的范围。Java虚拟机参数-XX:+AggressiveOpts也会将IntegerCache.high调整至20000。
奇怪的是,Java并不支持对IntegerCache.low的更改,也就是说,对于小于-128的整数,我们无法直接使用由Java核心类库所缓存的Integer对象。
当从泛型参数为Integer的ArrayList取出元素时,我们得到的实际上也是Integer对象。如果应用程序期待的是一个int值,那么就会发生自动拆箱。
在我们的例子中,自动拆箱对应的是字节码偏移量为25的指令。该指令将调用Integer.intValue方法。这是一个实例方法,直接返回Integer对象所存储的int值。
泛型与类型擦除
你可能已经留意到了,在前面例子生成的字节码中,往ArrayList中添加元素的add方法,所接受的参数类型是Object;而从ArrayList中获取元素的get方法,其返回类型同样也是Object。
前者还好,但是对于后者,在字节码中我们需要进行向下转换,将所返回的Object强制转换为Integer,方能进行接下来的自动拆箱。
13: invokevirtual java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z
...
19: invokevirtual java/util/ArrayList.get:(I)Ljava/lang/Object;
22: checkcast java/lang/Integer
之所以会出现这种情况,是因为Java泛型的类型擦除。这是个什么概念呢?简单地说,那便是Java程序里的泛型信息,在Java虚拟机里全部都丢失了。这么做主要是为了兼容引入泛型之前的代码。
当然,并不是每一个泛型参数被擦除类型后都会变成Object类。对于限定了继承类的泛型参数,经过类型擦除后,所有的泛型参数都将变成所限定的继承类。也就是说,Java编译器将选取该泛型所能指代的所有类中层次最高的那个,作为替换泛型的类。
举个例子,在上面这段Java代码中,我定义了一个T extends Number的泛型参数。它所对应的字节码如下所示。可以看到,foo方法的方法描述符所接收参数的类型以及返回类型都为Number。方法描述符是Java虚拟机识别方法调用的目标方法的关键。
T foo(T);
descriptor: (Ljava/lang/Number;)Ljava/lang/Number;
flags: (0x0000)
Code:
stack=1, locals=2, args_size=2
0: aload_1
1: areturn
Signature: (TT;)TT;
不过,字节码中仍存在泛型参数的信息,如方法声明里的T foo(T),以及方法签名(Signature)中的“(TT;)TT;”。这类信息主要由Java编译器在编译他类时使用。
既然泛型会被类型擦除,那么我们还有必要用它吗?
我认为是有必要的。Java编译器可以根据泛型参数判断程序中的语法是否正确。举例来说,尽管经过类型擦除后,ArrayList.add方法所接收的参数是Object类型,但是往泛型参数为Integer类型的ArrayList中添加字符串对象,Java编译器是会报错的。
桥接方法
泛型的类型擦除带来了不少问题。其中一个便是方法重写。在第四篇的课后实践中,我留了这么一段代码:
class Merchant<T extends Customer> {
public double actionPrice(T customer) {
return 0.0d;
}
}
class VIPOnlyMerchant extends Merchant<VIP> {
@Override
public double actionPrice(VIP customer) {
return 0.0d;
}
}
VIPOnlyMerchant中的actionPrice方法是符合Java语言的方法重写的,毕竟都使用@Override来注解了。然而,经过类型擦除后,父类的方法描述符为(LCustomer;)D,而子类的方法描述符为(LVIP;)D。这显然不符合Java虚拟机关于方法重写的定义。
为了保证编译而成的Java字节码能够保留重写的语义,Java编译器额外添加了一个桥接方法。该桥接方法在字节码层面重写了父类的方法,并将调用子类的方法。
class VIPOnlyMerchant extends Merchant<VIP>
...
public double actionPrice(VIP);
descriptor: (LVIP;)D
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
0: dconst_0
1: dreturn
public double actionPrice(Customer);
descriptor: (LCustomer;)D
flags: (0x1041) ACC_PUBLIC, ACC_BRIDGE, ACC_SYNTHETIC
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: checkcast class VIP
5: invokevirtual actionPrice:(LVIP;)D
8: dreturn
// 这个桥接方法等同于
public double actionPrice(Customer customer) {
return actionPrice((VIP) customer);
}
在我们的例子中,VIPOnlyMerchant类将包含一个桥接方法actionPrice(Customer),它重写了父类的同名同方法描述符的方法。该桥接方法将传入的Customer参数强制转换为VIP类型,再调用原本的actionPrice(VIP)方法。
当一个声明类型为Merchant,实际类型为VIPOnlyMerchant的对象,调用actionPrice方法时,字节码里的符号引用指向的是Merchant.actionPrice(Customer)方法。Java虚拟机将动态绑定至VIPOnlyMerchant类的桥接方法之中,并且调用其actionPrice(VIP)方法。
需要注意的是,在javap的输出中,该桥接方法的访问标识符除了代表桥接方法的ACC_BRIDGE之外,还有ACC_SYNTHETIC。它表示该方法对于Java源代码来说是不可见的。当你尝试通过传入一个声明类型为Customer的对象作为参数,调用VIPOnlyMerchant类的actionPrice方法时,Java编译器会报错,并且提示参数类型不匹配。
当然,如果你实在想要调用这个桥接方法,那么你可以选择使用反射机制。
class Merchant {
public Number actionPrice(Customer customer) {
return 0;
}
}
class NaiveMerchant extends Merchant {
@Override
public Double actionPrice(Customer customer) {
return 0.0D;
}
}
除了前面介绍的泛型重写会生成桥接方法之外,如果子类定义了一个与父类参数类型相同的方法,其返回类型为父类方法返回类型的子类,那么Java编译器也会为其生成桥接方法。
class NaiveMerchant extends Merchant
public java.lang.Double actionPrice(Customer);
descriptor: (LCustomer;)Ljava/lang/Double;
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: dconst_0
1: invokestatic Double.valueOf:(D)Ljava/lang/Double;
4: areturn
public java.lang.Number actionPrice(Customer);
descriptor: (LCustomer;)Ljava/lang/Number;
flags: (0x1041) ACC_PUBLIC, ACC_BRIDGE, ACC_SYNTHETIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: aload_1
2: invokevirtual actionPrice:(LCustomer;)Ljava/lang/Double;
5: areturn
我之前曾提到过,class文件里允许出现两个同名、同参数类型但是不同返回类型的方法。这里的原方法和桥接方法便是其中一个例子。由于该桥接方法同样标注了ACC_SYNTHETIC,因此,当在Java程序中调用NaiveMerchant.actionPrice时,我们只会调用到原方法。
其他语法糖
在前面的篇章中,我已经介绍过了变长参数、try-with-resources以及在同一catch代码块中捕获多种异常等语法糖。下面我将列举另外两个常见的语法糖。
foreach循环允许Java程序在for循环里遍历数组或者Iterable对象。对于数组来说,foreach循环将从0开始逐一访问数组中的元素,直至数组的末尾。其等价的代码如下面所示:
public void foo(int[] array) {
for (int item : array) {
}
}
// 等同于
public void bar(int[] array) {
int[] myArray = array;
int length = myArray.length;
for (int i = 0; i < length; i++) {
int item = myArray[i];
}
}
对于Iterable对象来说,foreach循环将调用其iterator方法,并且用它的hasNext以及next方法来遍历该Iterable对象中的元素。其等价的代码如下面所示:
public void foo(ArrayList<Integer> list) {
for (Integer item : list) {
}
}
// 等同于
public void bar(ArrayList<Integer> list) {
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Integer item = iterator.next();
}
}
字符串switch编译而成的字节码看起来非常复杂,但实际上就是一个哈希桶。由于每个case所截获的字符串都是常量值,因此,Java编译器会将原来的字符串switch转换为int值switch,比较所输入的字符串的哈希值。
由于字符串哈希值很容易发生碰撞,因此,我们还需要用String.equals逐个比较相同哈希值的字符串。
如果你感兴趣的话,可以自己利用javap分析字符串switch编译而成的字节码。
总结与实践
今天我主要介绍了Java编译器对几个语法糖的处理。
基本类型和其包装类型之间的自动转换,也就是自动装箱、自动拆箱,是通过加入[Wrapper].valueOf(如Integer.valueOf)以及[Wrapper].[primitive]Value(如Integer.intValue)方法调用来实现的。
Java程序中的泛型信息会被擦除。具体来说,Java编译器将选取该泛型所能指代的所有类中层次最高的那个,作为替换泛型的具体类。
由于Java语义与Java字节码中关于重写的定义并不一致,因此Java编译器会生成桥接方法作为适配器。此外,我还介绍了foreach循环以及字符串switch的编译。
今天的实践环节,你可以探索一下Java 10的var关键字,是否保存了泛型信息?是否支持自动装拆箱?
public void foo() {
var value = 1;
var list = new ArrayList<Integer>();
list.add(value);
// list.add("1"); 这一句能够编译吗?
}
- 钱 👍(61) 💬(1)
本节还是比较容易理解的,也搞清楚了泛型相关的疑惑点,非常感谢。 小结如下: 1:Java语法糖-是一种帮助开发人员提高开发效率的小甜点,原理是将一些繁琐的事情交给编译器来处理,开发人员少做一些事情,当然,本纸上这些事情还必须要做,只是有编译器来做了 2:Java语法糖有那几种呢?如下所示: 2-1:包装类型和基本类型间的转换,自动装箱和拆箱的设计 2-2:泛型的设计 2-3:变长参数的设计 2-4:try-with-resources,关闭资源的设计 2-5:在同一个catch代码块中捕获多种异常 2-6:finally代码块总是被执行的设计 2-7:foreach循环数组的设计 2-8:foreach循环Iterable对象的设计 3:编译器的具体实现细节不是很清楚,猜测是识别出对应的语法然后填充上对应的代码,将语法糖还原成其本质-一些重复繁琐的代码块 4:之前有同事问我泛型是怎么实现的? 我讲不出来,只晓得使用泛型后,不需要写类型强转的代码了,如果类型不对也会有提示且编译失败,现在知道的多一点了,本质上类型强转的工作还是必须要做的,只是不是有开发人员来做了,由编译器来做,并且编译器会擦除掉对应的泛型信息,使用合适的父类型来代替,可能是Object类也可能是声明泛型时指定的继承的类
2018-08-25 - ^_^ 👍(9) 💬(3)
C++ 是真泛型,java 较之算是伪泛型
2018-11-13 - Shine 👍(6) 💬(1)
每次看到示例代码的java字节码就犯懵,觉得很复杂,是不是有必要去了解下字节码
2018-08-25 - 任鹏斌 👍(2) 💬(1)
有点落后刚升级到jdk8对10还一无所知
2018-08-24 - 李二木 👍(2) 💬(2)
从实现上说可以设计一个int类型的list,而jdk中arrayList是object类型,这样做是不是为了通用型考虑呢?
2018-08-24 - 403 👍(0) 💬(1)
相比来看,c#的泛型是真泛型
2018-08-26 - herome 👍(0) 💬(1)
求老师画图啊
2018-08-25 - 钱 👍(0) 💬(1)
奇怪的是,Java 并不支持对 IntegerCache.low 的更改,也就是说,对于小于 -128 的整数,我们无法直接使用由 Java 核心类库所缓存的 Integer 对象。 这个奇怪的现象到底是为啥呢?
2018-08-25 - 永烁星光 👍(18) 💬(0)
直到这节课逐渐感知到了学习jvm的妙处,我想将这专栏反复看和实践终能消化为自己的知识
2018-08-25 - 曲东方 👍(5) 💬(1)
var保存了泛型信息 var定义变量必须直接初始化,基于初始化的值做类型推导,javac编译期间的语法糖 所以不能声明函数的参数为var类型 foreach语法糖,对于实现了迭代器Iterable<T>接口的类型,使用迭代器方法; foreach对于数组和变长参数的处理方式与上述略有不同,先求数组长度,再做类似while循环遍历
2018-08-26 - WL 👍(3) 💬(3)
invokestatic Double.valueOf:(D)Ljava/lang/Double; 想请教一下老师这个字节码中的(D)和java前的L的作用是标记什么, 查了半天都没查到, 希望老师回答一下.
2018-12-14 - 剑八 👍(2) 💬(0)
java设计也是分内核与外延的设计 内核是整个加载器,执行器,编绎器,堆栈这些是相对稳定的 而语法糖是为了提升开发效率,相当于是多变的外延。 本质上这个语法糖是由编绎器帮开发人员做了转换的工作。 泛型在编绎器转换后会变成字节码层页的object,或者如果泛型有继承某个特定父类则在字节码层面就是这个限定类,最终在存取的时候会做强制转换。
2020-06-13 - 随心而至 👍(1) 💬(0)
看老师的课,最好就在电脑边,边看边实践。
2019-10-16 - 随心而至 👍(1) 💬(0)
赞,这节课的内容即便全忘了,也完全可以自己跑自己命令,看下字节码文件,知道到底是怎么回事。这就是授人以渔,谢谢老师。
2019-10-16 - angel😇txy🤓 👍(0) 💬(0)
ava 程序中的泛型信息会被擦除。具体来说,Java 编译器将选取该泛型所能指代的所有类中层次最高的那个,作为替换泛型的具体类,具体来说: 若泛型类型没有指定具体类型,用Object作为原始类型; 若有限定类型< T exnteds XClass >,使用XClass作为原始类型; 若有多个限定< T exnteds XClass1 & XClass2 >,使用第一个边界类型XClass1作为原始类型;
2022-08-30