一文带你读懂JDK源码：Lambda表达式

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原创 2024-10-02 08:45:11 607 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

深入JDK源码探索Java语言Lambda具体实现当我刚刚开始学习Java的Lambda的时候，我曾经完全误解了它的实现方式，并且前段时间发现居然有些朋友和当时的我一样。比如下面这个例子： class Foobar { Runnable foobar() { return () -> {}; } } 在最初的时候，我猜想它也许会像这样实现： class Foobar { Runnable foobar() { return new Runnable() { @Over 阅读详情

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Lambda和Stream是Jdk1.8中引入的两个重要特性。

Lambda是函数式编程，可以将匿名方法像参数一样传递，本章节将从4个方面来介绍lambda：Lambda基础语法、Lambda表达式的应用层面、Lambda的字节码源码以及优缺点性能。

开讲前，我们先回顾下JVM的内存管理结构，这节我们会涉及到方法区：

程序计数器（Program Counter Register）：当前线程执行的字节码指示器
Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：Java方法执行的内存模型，每个方法会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
本地方法栈（Native Method Stack）：（虚拟机使用到的）本地方法执行的内存模型。
Java堆（Java Heap）：虚拟机启动时创建的内存区域，唯一目的是存放对象实例，处于逻辑连续但物理不连续内存空间中。
方法区（Method Area）：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）：方法区的一部分，存放编译器生成的各种字面值和符号引用。

另外补充常量池的项目类型知识：

序号	常量池信息	备注
1	CONSTANT_InvokeDynamic_Info	标识一个动态方法调用点
2	CONSTANT_NameAndType_Info	标识字段或方法的部分符合引用

另外补充字节码指令：invokedynamic指令

在Class文件中，方法调用即是对常量池（ConstantPool）属性表中的一个符号引用，在类加载的解析期或者运行时才能确定直接引用。invokestatic 主要用于调用static关键字标记的静态方法 invokespecial 主要用于调用私有方法，构造器，父类方法。

invokevirtual 虚方法，不确定调用那一个实现类,比如Java中的重写的方法调用。例子可以参考:从字节码指令看重写在JVM中的实现 invokeinterface 接口方法，运行时才能确定实现接口的对象，也就是运行时确定方法的直接引用，而不是解析期间。

Lambda 是什么？

Lambda的定义：

Lambda 表达式（lambda expression）是一个匿名函数，Lambda表达式基于数学中的λ演算得名，直接对应于其中的lambda抽象（lambda abstraction），是一个匿名函数，即没有函数名的函数。

Lambda 表达式可以表示闭包（注意和数学传统意义上的不同）。

java对Lambda的语法定义如下：

(parameters) -> expression

或

(parameters) ->{ statements; }

因为lambda本质是一个匿名函数，那么跟普通的函数方法就肯定有共同点了：入参&方法体&返回值。

以下是lambda表达式的重要特征:

序号	描述
1	可选类型声明：不需要声明参数类型，编译器可以统一识别参数值。
2	可选的参数圆括号：一个参数无需定义圆括号，但多个参数需要定义圆括号。
3	可选的大括号：如果主体包含了一个语句，就不需要使用大括号。
4	可选的返回关键字：如果主体只有一个表达式返回值则编译器会自动返回值，大括号需要指定明表达式返回了一个数值。

以参考下面的Lambda使用例子1：

我们定义了以下的lambda接口

  //无参但是有返回值
  @FunctionalInterface
  interface testNoArgButReturnVal {
    int testNoArgButReturnVal();
  }
  //一个参数，有返回值
  @FunctionalInterface
  interface testArgWithReturnVal {
    int testArgWithReturnVal(String message);
  }
  //两个参数，有返回值
  @FunctionalInterface
  interface testArgsWithReturnVal {
    int testArgsWithReturnVal(String message, Integer value);
  }
  //两个参数，无返回值
  @FunctionalInterface
  interface testArgsWithNoReturnVal {
    void testArgsWithNoReturnVal(String message, Integer value);
  }

lambda表达式实现

    //无参但是有返回值
    testNoArgButReturnVal testNoArgButReturnVal = ()->1;
    testNoArgButReturnVal testNoArgButReturnVal2 = ()->{return 1;};


    //一个参数，有返回值
    testArgWithReturnVal testArgWithReturnVal = (String a) -> {return 1;};
    testArgWithReturnVal testArgWithReturnVal2 = (a) -> {return 1;};
    testArgWithReturnVal testArgWithReturnVal3 = a -> {return 1;};
    testArgWithReturnVal testArgWithReturnVal4 = a -> 1;


    //两个参数，有返回值
    testArgsWithReturnVal testArgsWithReturnVal = (String a, Integer b) -> {return 1;};
    testArgsWithReturnVal testArgsWithReturnVal2 = (a, b) -> {return 1;};
    testArgsWithReturnVal testArgsWithReturnVal3 = (a, b) -> 1;


    //两个参数，无返回值
    testArgsWithNoReturnVal testArgsWithNoReturnVal = (String a, Integer b) -> {};
    testArgsWithNoReturnVal testArgsWithNoReturnVal2 = (String a, Integer b) -> {System.out.println("a = " + a + ", b = " + b);};

当然，如果觉得这种灵活的编程不太适应，那么可以用最保险的办法，那就是始终用()圈住入参，用{}圈住实现体。

Lambda 注解应用

下面我们讲解：Lambda的注解与应用例子。

每个lambda声明接口，都用到了 @FunctionalInterface，这便是jdk8引入的Lambda注解了（实际上jdk8没要求必须显式声明该注解）。

@FunctionalInterface 注解

@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.TYPE)
public @interface FunctionalInterface {}

举例子2：lambda 应用实例

/**
 * <p>
 *     Java 8 中采用函数式接口作为Lambda 表达式的目标类型。
 *     函数式接口(Functional Interface)是一个有且仅有一个抽象方法声明的接口。
 *     任意只包含一个抽象方法的接口，我们都可以用来做成Lambda表达式。
 *     每个与之对应的lambda表达式必须要与抽象方法的声明相匹配。
 * </p>
 */
//自定义函数式接口时，应当在接口前加上@FunctionalInterface标注（虽然不加也不会有错误）。
//编译器会注意到这个标注，如果你的接口中定义了第二个抽象方法的话，编译器会抛出异常。
@FunctionalInterface
public interface MyFunction {
  /**
   *  函数式接口中只能有一个抽象方法（这里不包括与Object的方法重名的方法）
   *  接口中唯一抽象方法的命名并不重要，因为函数式接口就是对某一行为进行抽象，主要目的就是支持 Lambda 表达式
   */
  String print(String s);


  //Error，如果你的接口中定义了第二个抽象方法的话，编译器会抛出异常。
//  String print2(String s);
}

通过例子2，可以知道这个@FunctionalInterface 注解有以下特点：

该注解只能标记在”有且仅有一个抽象方法”的接口上。
JDK8接口中的静态方法和默认方法，都不算是抽象方法。
接口默认继承Java.lang.Object，所以如果接口显示声明覆盖了Object中方法，那么也不算抽象方法。
该注解不是必须的，如果一个接口符合”函数式接口”定义，那么加不加该注解都没有影响。加上该注解能够更好地让编译器进行检查。如果编写的不是函数式接口，但是加上了@FunctionInterface，那么编译器会报错。

Lambda 字节码源码

下面我们讲解：Lambda的 class 字节码源码，从编译角度彻底理解lambda的实现。

（实际上，lambda在应用层面会这么方便，是因为编译器在底层做了大量的工作，我们可以一窥究竟。）

举例子3：

我们基于例子2的MyFunction lambda声明接口，写了 LambdaSourceTestCase 用例：

public class LambdaSourceTestCase {
  public static void main(String[] args) {
    String a = "a"; //定义局部变量
    MyFunction myFunction = (s)-> {return s;}; //定义匿名函数实现
    myFunction.print(a); //调用lambda
  }
}

编译与查看虚拟机运行时信息指令：

javac -encoding utf8 LambdaSourceTestCase.java MyFunction.java
javap -verbose LambdaSourceTestCase.class

下面我们通过3个步骤，来分析lambda的字节码源码。

1、在主体方法里，我们找到lambda表达式匹配的 invokedynamic 指令。

2、根据invokedynamic指令的偏移量，定位到#0:#23 分别指向的bootstrap属性表 & 常量池信息。

2.1 常量池信息（Constant Pool）

2.2 BootstrapMethods 属性表

3、字节码分析：

最后的最后，是一个类的静态方法：

LambdaMetafactory.metafactory()方法。

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;

总结归纳：

lambda表达式对应一个incokedynamic 指令，通过指令在常量池的符号引用，可以得到BootstrapMethods 属性表对应的引导方法。

在运行时，JVM会通过调用这个引导方法生成一个含有MethodHandle（CallSite的target属性）对象的CallSite作为一个Lambda的回调点。Lambda的表达式信息在JVM中通过字节码生成技术转换成一个内部类，这个内部类被绑定到MethodHandle对象中。每次执行lambda的时候，都会找到表达式对应的回调点CallSite执行。一个CallSite可以被多次执行（在多次调用的时候）。

在多次调用的时候，只会有一个invokedynamic指令，在comparator调用comparator.compare或comparator.reversed方法时，都会通过CallSite找到其内部的MethodHandle，并通过MethodHandle调用Lambda的内部表示形式LambdaForm。

Lambda 优势与劣势

总而言之，函数式编程是技术的发展方向，而Lambda是函数式编程最基础的内容，所以Java 8中加入Lambda表达式本身是符合技术发展方向的。

优点:

1、代码更加简洁,效率高;

2、减少匿名内部类的创建，节省资源（Lambda的性能表现，在多数情况也比匿名内部类好，性能方面可以参考一下Oracle的Sergey Kuksenko发布的 Lambda 性能报告）；

缺点:

1、不熟悉Lambda表达式的语法的人,不太容易看得懂;

2、虽然代码更加简洁,但可读性差,不利于维护;

总结

本文从4个方面介绍了：Lambda基础语法、Lambda表达式的应用层面、Lambda的字节码源码以及优缺点性能，希望大家从中能有所收获。

文章参考了以下文章：

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/invoke/LambdaMetafactory.html#metafactory-java.lang.invoke.MethodHandles.Lookup-java.lang.String-java.lang.invoke.MethodType-java.lang.invoke.MethodType-java.lang.invoke.MethodHandle-java.lang.invoke.MethodType-

https://www.cnblogs.com/jixp/articles/10548492.html

https://www.oracle.com/technetwork/java/jvmls2013kuksen-2014088.pdf

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