## 41 突破難點：如何看 Lambda 源碼 ## 引導語 大家都知道 Java8 中新增了 Lambda 表達式，使用 Lambda 表達式可以對代碼進行大量的優化，用幾行代碼就可以做很多事情，本章以 Lambda 為例，第一小節說明一下其底層的執行原理，第二小節說明一下 Lambda 流在工作中常用的姿勢。 ### 1 Demo 首先我們來看一個 Lambda 表達式的 Demo，如下圖：  代碼比較簡單，就是新起一個線程打印一句話，但對于圖中 () -> System.out.println ( “ lambda is run “ ) 這種代碼，估計很多同學都感覺到很困惑，Java 是怎么識別這種代碼的？ 如果我們修改成匿名內部類的寫法，就很清楚，大家都能看懂，如下圖：  那是不是說 () -> System.out.println ( “ lambda is run “ ) 這種形式的代碼，其實就是建立了內部類呢？其實這就是最簡單 Lambda 表達式，我們是無法通過 IDEA 看到源碼和其底層結構的，下面我們就來介紹幾種可看到其底層實現的方式。 ### 2 異常判斷法 我們可以在代碼執行中主動拋出異常，打印出堆棧，堆棧會說明其運行軌跡，一般這種方法簡單高效，基本上可以看到很多情況下的隱藏代碼，我們來試一下，如下圖：  從異常的堆棧中，我們可以看到 JVM 自動給當前類建立了內部類（錯誤堆棧中出現多次的 $ 表示有內部類），內部類的代碼在執行過程中，拋出了異常，但這里顯示的代碼是 Unknown Source，所以我們也無法 debug 進去，一般情況下，異常都能暴露出代碼執行的路徑，我們可以打好斷點后再次運行，但對于 Lambda 表達式而言，通過異常判斷法我們只清楚有內部類，但無法看到內部類中的源碼。 ### 3 javap 命令法 javap 是 Java 自帶的可以查看 class 字節碼文件的工具，安裝過 Java 基礎環境的電腦都可以直接執行 javap 命令，如下圖：  命令選項中，我們主要是用-v -verbose 這個命令，可以完整輸出字節碼文件的內容。 接下來我們使用 javap 命令查看下 Lambda.class 文件，在講解的過程中，我們會帶上一些關于 class 文件的知識。 我們在命令窗口中找到 Lambda.class 所在的位置，執行命令：javap -verbose Lambda.class，然后你會看到一長串的東西，這些叫做匯編指令，接下來我們來一一講解下（ 所有的參考資料來自 Java 虛擬機規范，不再一一引用說明）： 匯編指令中我們很容易找到 Constant pool 打頭的一長串類型，我們叫做常量池，官方英文叫做 Run-Time Constant Pool，我們簡單理解成一個裝滿常量的 table ，table 中包含編譯時明確的數字和文字，類、方法和字段的類型信息等等。table 中的每個元素叫做 cpinfo，cpinfo 由唯一標 識 ( tag ) + 名稱組成，目前 tag 的類型一共有：  貼出我們解析出來的部分圖：  1. 圖中 Constant pool 字樣代表當前信息是常量池； 2. 每行都是一個 cp_info ，第一列的 #1 代表是在常量池下標為 1 的位置 ； 3. 每行的第二列，是 cp_info 的唯一標識 ( tag ) ，比如 Methodref 對應著上表中的 CONSTANT_Methodref（上上圖中表格中 value 對應 10 的 tag），代表當前行是表示方法的描述信息的，比如說方法的名稱，入參類型，出參數類型等，具體的含義在 Java 虛擬機規范中都可以查詢到，Methodref 的截圖如下：  4. 每行的第三列，如果是具體的值的話，直接顯示具體的值，如果是復雜的值的話，會顯示 cp_info 的引用，比如說圖中標紅 2 處，引用兩個 13 和 14 位置的 cp_info，13 表示方法名字是 init，14 表示方法無返回值，結合起來表示方法的名稱和返回類型，就是一個無參構造器； 5. 每行的第四列，就是具體的值了。 對于比較重要的 cp_info 類型我們說明下其含義： 1. InvokeDynamic 表示動態的調用方法，后面我們會詳細說明； 2. Fieldref 表示字段的描述信息，如字段的名稱、類型； 3. NameAndType 是對字段和方法類型的描述； 4. MethodHandle方法句柄，動態調用方法的統稱，在編譯時我們不知道具體是那個方法，但運行時肯定會知道調用的是那個方法； 5. MethodType 動態方法類型，只有在動態運行時才會知道其方法類型是什么。 我們從上上圖中標紅的 3 處，發現 Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup，java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory 類似這樣的代碼，MethodHandles 和 LambdaMetafactory 都是 java.lang.invoke 包下面的重要方法，invoke 包主要實現了動態語言的功能，我們知道 java 語言屬于靜態編譯語言，在編譯的時候，類、方法、字段等等的類型都已經確定了，而 invoke 實現的是一種動態語言，也就是說編譯的時候并不知道類、方法、字段是什么類型，只有到運行的時候才知道。 比如這行代碼：Runnable runnable = () -> System.out.println(“lambda is run”); 在編譯器編譯的時候 () 這個括號編譯器并不知道是干什么的，只有在運行的時候，才會知道原來這代表著的是 Runnable.run() 方法。invoke 包里面很多類，都是為了代表這些 () 的，我們稱作為方法句柄（ MethodHandler ），在編譯的時候，編譯器只知道這里是個方法句柄，并不知道實際上執行什么方法，只有在執行的時候才知道，那么問題來了，JVM 執行的時候，是如何知道 () 這個方法句柄，實際上是執行 Runnable.run() 方法的呢？ 首先我們看下 simple 方法的匯編指令：  從上圖中就可以看出 simple 方法中的 () -> System.out.println(“lambda is run”) 代碼中的 ()，實際上是Runnable.run 方法。 我們追溯到 # 2 常量池，也就是上上圖中標紅 1 處，InvokeDynamic 表示這里是個動態調用，調用的是兩個常量池的 cp_info，位置是 #0:#37 ，我們往下找 #37 代表著是 // run:()Ljava/lang/Runnable，這里表明了在 JVM 真正執行的時候，需要動態調用 Runnable.run() 方法，從匯編指令上我們可以看出 () 實際上就是 Runnable.run()，下面我們 debug 來證明一下。 我們在上上圖中 3 處發現了 LambdaMetafactory.metafactory 的字樣，通過查詢官方文檔，得知該方法正是執行時， 鏈接到真正代碼的關鍵，于是我們在 metafactory 方法中打個斷點 debug 一下，如下圖：  metafactory 方法入參 caller 代表實際發生動態調用的位置，invokedName 表示調用方法名稱，invokedType 表示調用的多個入參和出參，samMethodType 表示具體的實現者的參數，implMethod 表示實際上的實現者，instantiatedMethodType 等同于 implMethod。 以上內容總結一下： 1：從匯編指令的 simple 方法中，我們可以看到會執行 Runnable.run 方法； 2：在實際的運行時，JVM 碰到 simple 方法的 invokedynamic 指令，會動態調用 LambdaMetafactory.metafactory 方法，執行具體的 Runnable.run 方法。 所以可以把 Lambda 表達值的具體執行歸功于 invokedynamic JVM 指令，正是因為這個指令，才可以做到雖然編譯時不知道要干啥，但動態運行時卻能找到具體要執行的代碼。 接著我們看一下在匯編指令輸出的最后，我們發現了異常判斷法中發現的內部類，如下圖：  上圖中箭頭很多，一層一層的表達清楚了當前內部類的所有信息。 ### 4 總結 我們總結一下，Lambda 表達式執行主要是依靠 invokedynamic 的 JVM 指令來實現，咱們演示的類的全路徑為：demo.eight.Lambda 感興趣的同學可以自己嘗試一下。