浅析JVMinvokedynamic指令和JavaLambda语法

吴正平

目录一、导语二、Java和JVM的关系三、JVM指令：invokedynamic四、方法句柄：MethodHandle五、Lambda表达式简介六、Lambda表达式实现? ? 1.?invokedynamic指令参数? ? 2.?期望的方法名称和描述符? ? 3.?BSM方法序号? ? 4. BSM方法? ? 5.?BSM方法参数? ? 6.?LambdaMetafactory#metafactory? ? 7. 构造CallSite? ? 8. 二阶段调用七、Lambda表达式性能八、Lambda表达式和final变量九、总结十、附录? ? 1. 自动生成的Lambda2适配类? ? 2. 自动生成的Lambda3适配类一导语尽管近年来JDK的版本发布愈发敏捷，当前最新版本号已经20+，但是日常使用中，JDK8还是占据了统治地位。你发任你发，我用Java8：【Jetbrains】2023 开发者生态系统现状 - https://www.jetbrains.com/zh-cn/lp/devecosystem-2023/java/JDK8如此旺盛的生命力，与其优异的兼容性、稳定性和足够日常开发使用的语言特性有极大的关系，这其中最引人瞩目的语言特性莫过于Lambda表达式。Lambda表达式语言特性引入Java语言后，赋予了Java语言更便捷的函数式编程魔力(相对匿名内部类)，同时也让其更简洁，毕竟Java代码写起来啰嗦这点一直被开发者们广泛诟病。本文将从JVM和Java两个层面着手，和大家一起深入解析Lambda表达式。二Java和JVM的关系JVM是HLLVM(高级语言虚拟机)，其参考物理计算机体系架构，设计、实现了一套特定领域虚拟指令集，即：字节码指令。利用上述虚拟指令集作为中间层，将上层高级语言和底层体系架构解耦以规避繁琐、复杂的平台兼容性问题，以实现【一次编译，处处运行】。Java是基于JVM提供的虚拟指令集，设计、实现的一种供开发者使用的高级语言。通过配套的编译器和标准库，将文本格式的Java代码编译成符合JVM指令集规范的二进制文件，交付到JVM执行。Java是一种运行在JVM平台上的高级语言，但是JVM平台绝不是只能运行Java语言。任何人都可以设计自己的语言语法，只要能按JVM规范编译成合法的JVM字节码，即可在JVM上运行(用Java命令)。计算机科学领域的任何问题，都可以通过增加一个中间层来解决。没有无源之水，Java语言层面的特性，除非是纯语法糖，不然一定离不开特定JVM特性的支撑。Lambda是Java8语言特性，那支撑它的便是JVM invokedynamic指令。三JVM指令：invokedynamic在Java7之前，JVM提供了如下4种【方法调用】指令：上述4种字节码指令各自有不同的使用场景，但是有一个共同的特点：目标方法一定需要在【编译期】确定。如下图，编译后4种指令的参数都指定了目标方法所在的类和签名以供运行时链接、动态分派。这个特点一方面保证了JVM语言类型安全，另一方面也限制了JVM平台对动态类型高级语言的支持。比如想让JavaScript、Python等动态语言代码编译成JVM字节码运行在JVM平台上的开销会比较大，性能也会比较差。为了解决上述问题， Java7引入了一条新的虚拟机指令：invokedynamic。这是自JVM 1.0以来第一次引入新的虚拟机指令，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(链接、分派)。所谓的【应用级的代码来决定方法解析】需要对照之前的invoke*指令来理解。之前的4种invoke*指令，在编译期就必须要明确目标方法并hardcode到字节码中，JVM在运行时直接解析、链接、动态分派硬编码指定的目标方法。而invokedynamic指令通过回调机制来获取需要调用的目标方法。即先调用业务自定义回调方法做方法决策(解析、链接)，再调用其返回的目标方法。笔者称之为【两阶段调用】。伪代码对比如下：MethdoHandle为示意，后文有详述。伪字节码invokevirtual指令直接调用目标方法，invokedynamic直接调用回调方法，再调用回调方法返回的方法句柄。传统的invoke*指令直接调用字节码中指定的目标方法，如Son.testMethod1，invokedynamic指令在调用时，先调用字节码中指定的回调方法，如Son.dynamicMethodCallback，然后再调用回调方法(hook)返回的方法引用。而上述dynamicMethodCallback即为【应用级的代码或者我们常说的业务代码】，可以在不影响性能的前提下，灵活的干预JVM方法解析、链接的过程。总结来说，所谓应用级的代码其实也是一个方法，在这里这个方法被称为引导方法（Bootstrap Method），简称 BSM。invokedynamic执行时，BSM先被调用并返回一个 CallSite(调用点)对象，这个对象就和 invokedynamic链接在一起。以后再执行这条invokedynamic指令都不会创建新的 CallSite 对象。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。 一阶段：调用引导方法确定并缓存CallSite(MethodHandle)二阶段：调用CallSite(MethodHandle) 字节码指令比较low level，除字节码业务插桩场景外，字节码指令序列的构造、编排一般都由【高级语言编译器】来根据语言语法规则自动完成，如javac。 某种意义上有点类似Java【动态代理】机制，都是通过调用横切来动态桥接、灵活决策目标方法。四方法句柄：MethodHandle前面我们知道invokedynamic指令支持通过业务层面自定义的BSM来灵活的决策被调用的目标方法，也就是上述的【一阶段】。BSM方法的返回值就是【二阶段】调用的方法。但是和C、Python等语言不同，Java中方法/函数不是一等公民，也就是在Java中无法将【方法变量】作为方法返回值。为了解决这个问题，Java标准库提供了一个新的类型MethodHandle，用于实现类似C语言中的方法指针、JavaScript/Python中方法变量的能力。该API和反射API呈现的能力相似，但是性能更好。上述为MethodHandle API的基本使用，该课题展开又是一篇长文。总之，我们可以用MethodHandle来作为【方法变量】，变相的将【Java方法】提升为【一等公民】，从而可以在BSM中用Java代码实现动态编排、决策，返回合适的方法指针。这也是上述invokedynamic+BSM机制能够成立的一个基础。详见：秒懂Java之方法句柄(MethodHandle) （https://blog.csdn.net/ShuSheng0007/article/details/107066856） 上述【一阶段】调用的本质就是得到一个特定的MethodHandle(方法指针/方法引用)，【二阶段】调用就是调用这个MethodHandle。五Lambda表达式简介Java的Lambda表达式，是传统的【匿名内部类】特性在特定场景下的平替特性。所谓的特定场景，即我们熟知的FunctionalInterface。当【匿名内部类】匿名实现的是一个FunctionalInterface时，可以用Lambda表达式平替。示例如下：函数式接口(Functional Interface)就是一个有且仅有一个抽象方法，但是可以有多个非抽象方法的接口。Java 不会强制要求你使用 @FunctionalInterface 注解来标记你的接口是函数式接口，然而，作为API作者，你可能倾向使用@FunctionalInterface指明特定的接口为函数式接口，这只是一个设计上的考虑，可以让用户很明显的知道一个接口是函数式接口。Java Lambda表达式在语法层面有两种形式：行内代码块、方法引用。但是在编译产物中，行内Lambda最终会被提取到独立的静态方法中。也就是说，在字节码层面只有【方法引用】一种Lambda形式。如上图反编译结果，两个行内Lambda中的代码在编译后被提取到两个自动生成的方法lambda$main$0、lambda$main$1，后续Lambda表达式的处理流程都可以收敛，无需区分对待。