Java Lambda表达式实例解析原理

1、实例解析

先从一个例子开始：

例子很简单，定义了一个函数式接口Print ，main方法中有两处代码以Lambda表达式的方式实现了print接口，分别打印出不带前缀与带前缀的名字。

运行程序，打印结果如下：

Chen Longfei
hello, Chen Longfei

而(t) -> System.out.println(t)与(t) -> System.out.println(prefix + t))之类的Lambda表达式到底是怎样被编译与调用的呢？

我们知道，编译器编译Java代码时经常在背地里“搞鬼”比如类的全限定名的补全，泛型的类型推断等，编译器耍的这些小聪明可以帮助我们写出更优雅、简洁、高效的代码。鉴于编译器的一贯作风，我们有理由怀疑，新颖而另类的Lambda表达式在编译时很可能会被改造过了。

下面通过javap反编译class文件一探究竟。 javap是jdk自带的一个字节码查看工具及反编译工具： 用法: javap 其中, 可能的选项包括:

  -help  --help  -?        输出此用法消息
  -version                 版本信息
  -v  -verbose             输出附加信息
  -l                       输出行号和本地变量表
  -public                  仅显示公共类和成员
  -protected               显示受保护的/公共类和成员
  -package                 显示程序包/受保护的/公共类
                           和成员 (默认)
  -p  -private             显示所有类和成员
  -c                       对代码进行反汇编
  -s                       输出内部类型签名
  -sysinfo                 显示正在处理的类的
                           系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列)
  -constants               显示最终常量
  -classpath <path>        指定查找用户类文件的位置
  -cp <path>               指定查找用户类文件的位置
  -bootclasspath <path>    覆盖引导类文件的位置

结果如下：

javap -p Print.class

可见，编译器对Print接口的改造比较小，只是为print方法添加了public abstract关键字，而对LambdaTest的变化就比较大了，添加了两个静态方法：

到底有什么关联呢？使用javap -p -v -c LambdaTest.class查看更加详细的反编译结果：

这个 class 文件展示了三个主要部分：

常量池

构造方法和 main、print、Lambdamain0、Lambdamain1方法

Lambda表达式生成的内部类。

重点看下main方法的实现：

两个匿名内部类是通过BootstrapMethods方法创建的：

匿名内部类

可以在运行时加上-Djdk.internal.Lambda.dumpProxyClasses=%PATH%，加上这个参数后，运行时，会将生成的内部类class输出到%PATH%路径下。

javap -p -c 反编译两个文件：

//print(name, (t) -> System.out.println(t))的实例

对比两个实例，可以发现，由于表达式print(name, (t) -> System.out.println(prefix + t))引用了局部变量prefix，LambdaTestKaTeX parse error: Can't use function '$' in math mode at position 7: Lambda$̲2类 多了一个final参数：…Lambda$2引用了同一份变量，该变量虽然在代码层面独立存储于两个类当中，但是在逻辑上具有一致性，所以匿名内部类中加上了final关键字，而外部类中虽然没有为prefix显式地添加final，但是在被Lambda表达式引用后，该变量就自动隐含了final语意（再次更改会报错）。

2、InvokeDynamic

通过上面的例子可以发现，Lambda表达式由虚拟机指令InvokeDynamic实现方法调用。

2.1 方法调用

方法调用不等同于方法执行，方法调用阶段的唯一任务就是确定被调用方法的版本（即确定具体调用那一个方法），不涉及方法内部具体运行。

方法调用不等同于方法执行，方法调用阶段的唯一任务就是确定被调用方法的版本（即确定具体调用那一个方法），不涉及方法内部具体运行。
java虚拟机中提供了5条方法调用的字节码指令：
invokestatic：调用静态方法
invokespecial：调用实例构造器方法、私有方法、父类方法
invokevirtual：调用虚方法。
invokeinterface：调用接口方法，在运行时再确定一个实现该接口的对象
invokedynamic：运行时动态解析出调用的方法，然后去执行该方法。
invokeDynamic是 java 7 引入的一条新的虚拟机指令，这是自 1.0 以来第一次引入新的虚拟机指令。到了 java 8 这条指令才第一次在 java 应用，用在 Lambda 表达式中。invokeDynamic与其他invoke指令不同的是它允许由应用级的代码来决定方法解析。

2.2 指令规范

根据JVM规范的规定，invokeDynamic的操作码是186（0xBA），格式是：
invokedynamic indexbyte1 indexbyte2 0 0
invokeDynamic指令有四个操作数，前两个操作数构成一个索引[ (indexbyte1 << 8) | indexbyte2 ]，指向类的常量池，后两个操作数保留，必须是0。
查看上例中LambdaTest类的反编译结果，第一处Lambda表达式
print(name, (t) -> System.out.println(t));
对应的指令为：
17: invokedynamic #7, 0 // InvokeDynamic #1:print:()Ltest/Print;
常量池中#7对应的常量为：
#7 = InvokeDynamic #1:#42 // #1:print:()Ltest/Print;
其类型为CONSTANT_InvokeDynamic_info，CONSTANT_InvokeDynamic_info结构是Java7新引入class文件的，其用途就是给invokeDynamic指令指定启动方法（bootstrap method）、调用点call site（）等信息, 实际上是个 MethodHandle（方法句柄）对象。
#1代表BootstrapMethods表中的索引，即
BootstrapMethods：

//第一个
0: #36 …… 

 //第二个
  1: #36 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:

      # 37 (Ljava/lang/String;)V
      # 41 invokestatic test/LambdaTest.Lambda$main$1:(Ljava/lang/String;)V
      # 37 (Ljava/lang/String;)V

也就是说，最终调用的是java.lang.invoke.LambdaMetafactory类的静态方法metafactory()。

2.3 执行过程

为了更深入的了解invokeDynamic，先来看几个术语：

dynamic call site

程序中出现Lambda的地方都被称作dynamic call site，CallSite 就是一个 MethodHandle（方法句柄）的 holder。方法句柄指向一个调用点真正执行的方法。

bootstrap method

java里对所有Lambda的有统一的bootstrap method(LambdaMetafactory.metafactory)，bootstrap运行期动态生成了匿名类，将其与CallSite绑定，得到了一个获取匿名类实例的call site object

call site object

call site object持有MethodHandle的引用作为它的target，它是bootstrap method方法成功调用后的结果，将会与 dynamic call site永久绑定。call site object的target会被JVM执行，就如同执行一条invokevirtual指令，其所需的参数也会被压入operand stack。最后会得一个实现了functional interface的对象。

InvokeDynamic 首先需要生成一个 CallSite（调用点对象），CallSite 是由 bootstrap method 返回，也就是调LambdaMetafactory.metafactory方法。

前三个参数是固定的，由VM自动压栈：

MethodHandles.Lookup caller代表InvokeDynamic 指令所在的类的上下文（在上例中就是LambdaTest），可以通过 Lookup#lookupClass()获取这个类
String invokedName表示要实现的方法名（在上例中就是Print接口的方法名“print”）
MethodType invokedType call site object所持有的MethodHandle需要的参数和返回类型（signature）
接下来就是附加参数，这些参数是灵活的，由Bootstrap methods表提供：
MethodType samMethodType表示要实现functional interface里面抽象方法的类型
MethodHandle implMethod表示编译器给生成的 desugar 方法，是一个 MethodHandle
MethodType instantiatedMethodType即运行时的类型，因为方法定义可能是泛型，传入时可能是具体类型String之类的，要做类型校验强转等等
LambdaMetafactory.metafactory 方法会创建一个VM Anonymous Class，这个类是通过 ASM 编织字节码在内存中生成的，然后直接通过 UNSAFE 直接加载而不会写到文件里。VM Anonymous Class 是真正意义上的匿名类，不需要 ClassLoader 加载，没有类名，当然也没其他权限管理等操作，这意味着效率更高(不必要的锁操作)、GC 更方便（没有 ClassLoader）。

2.4 MethodHandle

要让invokedynamic正常运行，一个核心的概念就是方法句柄（method handle）。它代表了一个可以从invokedynamic调用点进行调用的方法。每个invokedynamic指令都会与一个特定的方法关联（也就是bootstrap method或BSM）。当编译器遇到invokedynamic指令的时候，BSM会被调用，会返回一个包含了方法句柄的对象，这个对象表明了调用点要实际执行哪个方法。

Java 7 API中加入了java.lang.invoke.MethodHandle（及其子类），通过它们来代表invokedynamic指向的方法。 一个Java方法可以视为由四个基本内容所构成：

名称

签名（包含返回类型）

定义它的类

实现方法的字节码

这意味着如果要引用某个方法，我们需要有一种有效的方式来表示方法签名（而不是反射中强制使用的令人讨厌的Class<?>[] hack方式）。

方法句柄首先需要的一个表达方法签名的方式，以便于查找。在Java 7引入的Method Handles API中，这个角色是由java.lang.invoke.MethodType类来完成的，它使用一个不可变的实例来代表签名。要获取MethodType，我们可以使用methodType()工厂方法。这是一个参数可变的方法，以class对象作为参数。 第一个参数所使用的class对象，对应着签名的返回类型；剩余参数中所使用的class对象，对应着签名中方法参数的类型。例如：

现在我们就可以使用MethodType，再组合方法名称以及定义方法的类来查找方法句柄。要实现这一点，我们需要调用静态的MethodHandles.lookup()方法。这样的话，会给我们一个“查找上下文（lookup context）”，这个上下文基于当前正在执行的方法（也就是调用lookup()的方法）的访问权限。

查找上下文对象有一些以“find”开头的方法，例如，findVirtual()、findConstructor()、findStatic()等。这些方法将会返回实际的方法句柄，需要注意的是，只有在创建查找上下文的方法能够访问（调用）被请求方法的情况下，才会返回句柄。这与反射不同，我们没有办法绕过访问控制。换句话说，方法句柄中并没有与setAccessible()对应的方法。例如

MethodHandle中有两个方法能够触发对方法句柄的调用，那就是invoke()和invokeExact()。这两个方法都是以接收者（receiver）和调用变量作为参数，所以它们的签名为：

两者的区别在于，invokeExact()在调用方法句柄时会试图严格地直接匹配所提供的变量。而invoke()与之不同，在需要的时候，invoke()能够稍微调整一下方法的变量。invoke()会执行一个asType()转换，它会根据如下的这组规则来进行变量的转换：

如果需要的话，原始类型会进行装箱操作
如果需要的话，装箱后的原始类型会进行拆箱操作
如果必要的话，原始类型会进行扩展
void返回类型会转换为0（对于返回原始类型的情况），而对于预期得到引用类型的返回值的地方，将会转换为null
null值会被视为正确的，不管静态类型是什么都可以进行传递

接下来，我们看一下考虑上述规则的简单调用样例：

上面的代码调用了Object的hashcode()方法，看到这里，你肯定会说这不就是 Java 的反射吗？

确实，MethodHandl和 Reflection实现的功能有太多相似的地方，都是运行时解析方法调用，理解方法句柄的一种方式就是将其视为以安全、现代的方式来实现反射的核心功能，在这个过程会尽可能地保证类型的安全。 但是，究其本质，两者之间还是有区别的： Reflection中的java.lang.reflect.Method对象远比MethodHandl机制中的java.lang.invoke.MethodHandle`对象所包含的信息来得多。前者是方法在Java一端的全面映像，包含了方法的签名、描述符以及方法属性表中各种属性的Java端表示方式，还包含有执行权限等的运行期信息。而后者仅仅包含着与执行该方法相关的信息。用开发人员通俗的话来讲，Reflection是重量级，而MethodHandle是轻量级。

从性能角度上说，MethodHandle 要比反射快很多，因为访问检查在创建的时候就已经完成了，而不是像反射一样等到运行时候才检查

Reflection是在模拟Java代码层次的方法调用，而MethodHandle是在模拟字节码层次的方法调用。 MethodHandle 是结合 invokedynamic 指令一起为动态语言服务的，也就是说MethodHandle （更准确的来说是其设计理念）是服务于所有运行在JVM之上的语言，而 Relection 则只是适用 Java 语言本身。

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原文链接：https://blog.csdn.net/chuige2013/article/details/129275105