foreach底层机制

简单例子

直接了解foreach底层有些困难,我们需要从更简单的例子着手.下面上一个简单例子:

 public class Simple {

     public static void main(String[] args) {
         int i = ;
         System.out.println(i);
     }
 }

找到其字节码文件所在目录并在目录下打开终端(Windows系统是在目录下shift+鼠标右键选择在此打开powershell窗口)

输入指令:javac -Simple.class >SimpleRunc

目录中得到SimpleRunc文件,打开它,会看到如下代码(里面有我的注释):

 Compiled from "Simple.java"
 public class cn._012thDay._foreach.Simple {
   public cn._012thDay._foreach.Simple();
     Code:
        : aload_0                将第一个引用型本地变量推送至栈顶;
        : invokespecial #                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
                         调用超类构造方法;
        : return

   public static void main(java.lang.String[]);
     Code:
        : iconst_5                将int型5推送至栈顶;
        : istore_1                将栈顶int型数据存入第二个本地变量;
                         此处推测:第一个本地变量是超类;

        : getstatic     #                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
                         获取本地静态域并将其压入栈顶;即获取静态属性压入栈顶
        : iload_1                将第二个int型本地变量推送至栈顶;
        : invokevirtual #                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
                         调用实例方法;
     获取类属性,加载入栈,打印栈顶,即5

        : return
 }

如果不懂指令意思,可查询JVM指令表.这里我说明一下步骤:

第一步:加载超类Object类

第二步:将int类型的5压入栈顶,然后将5存入本地变量1

第三部:获取静态属性

第四步:加载本地变量1,即将5推送至栈顶

第五步:打印

for循环

 public class ForSimple {

     public static void main(String[] args) {
         for (int i = ; i > ; i-=) {
             System.out.println(i);
         }
     }
 }

其实这个例子foreach就做不了,因为foreach遍历必须要有一个数组.

javap -c:

Compiled from "ForSimple.java"
public class cn._012thDay._foreach.ForSimple {
  public cn._012thDay._foreach.ForSimple();
    Code:
       : aload_0
       : invokespecial #                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       : return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       : iconst_5
       : istore_1
       : goto
       : getstatic     #                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       : iload_1
       : invokevirtual #                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      : iinc          , -
      : iload_1
      : ifgt
      : return
}

main方法第2行goto 15代表无条件跳转至第15行加载变量1,值是5

16行:ifgt 5 如果int型大于零则回到第5行,5>0

5~9行:打印,5

12行:变量1自增-2,即5变为3

15行:加载变量1,值是3

16行:ifgt 5 如果int型大于零则回到第5行,3>0

5~9行:打印,3

12行:变量1自增-2,即3变为1

15行:加载变量1,值是1

16行:ifgt 5 如果int型大于零则回到第5行,1>0

5~9行:打印,1

12行:变量1自增-2,即1变为-1

15行:加载变量1,值是-1

16行:ifgt 5 如果int型大于零则回到第5行,-1 <0

19行:return main方法结束

for循环打印结果为5,3,1

foreach遍历

先new一个int[]数组,看看数据是如何存储的:

 public class SimpleDemo {

     public static void main(String[] args) {
         // TODO Auto-generated method stub
         int[]arr = new int[];
         arr[] = ;
         arr[] = ;
         arr[] = ;
     }
 }

Compiled from "SimpleDemo.java"
public class cn._012thDay._foreach.SimpleDemo {
  public cn._012thDay._foreach.SimpleDemo();
    Code:
       : aload_0
       : invokespecial #                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       : return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       : iconst_3
       : newarray       int
       : astore_1
       : aload_1
       : iconst_0
       : bipush
       : iastore
       : aload_1
      : iconst_1
      : bipush
      : iastore
      : aload_1
      : iconst_2
      : bipush
      : iastore
      : return
}

前3行创建基本类型(int)数组,长度为3,存入本地引用型变量1

将索引为0的位置压入10并存储

将索引为1的位置压入20并存储

将索引为2的位置压入30并存储

接下来开始遍历,加入for循环:

for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println(arr[i]);
        }

Compiled from "SimpleDemo.java"
public class cn._012thDay._foreach.SimpleDemo {
  public cn._012thDay._foreach.SimpleDemo();
    Code:
       : aload_0
       : invokespecial #                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       : return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       : iconst_3
       : newarray       int
       : astore_1
       : aload_1
       : iconst_0
       : bipush
       : iastore
       : aload_1
      : iconst_1
      : bipush
      : iastore
      : aload_1
      : iconst_2
      : bipush
      : iastore
      : iconst_0
      : istore_2
      : goto
      : getstatic     #                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      : aload_1
      : iload_2
      : iaload
      : invokevirtual #                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      : iinc          ,
      : iload_2
      : aload_1
      : arraylength
      : if_icmplt
      : return
}

上面代码大家应该不那么陌生了,前面18行存入数组,第19行开始创建了一个新的变量int型值为0,存入变量2.然后用变量2和数组长度作比较,小于数组长度就回到第24行打印,这是一个典型的for循环.

整个遍历中不考虑超类的加载总共创建了两个本地变量,即arr[3]和int i,用arr[3]的长度3和i进行比较,符合条件输出arr[i].输出结果为10,20,30

下面终于轮到我们的主角foreach登场了,删除for循环,新增foreach迭代:

for (int item : arr) {
            System.out.println(item);
        }

Compiled from "SimpleDemo.java"
public class cn._012thDay._foreach.SimpleDemo {
  public cn._012thDay._foreach.SimpleDemo();
    Code:
       : aload_0
       : invokespecial #                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       : return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       : iconst_3
       : newarray       int
       : astore_1
       : aload_1
       : iconst_0
       : bipush
       : iastore
       : aload_1
      : iconst_1
      : bipush
      : iastore
      : aload_1
      : iconst_2
      : bipush
      : iastore
      : aload_1            load local1 :
      : dup                copy
      : astore                int[] local5 = local1
      : arraylength
      : istore                int local4 =
      : iconst_0
      : istore_3            int local3 =
      : goto
      : aload                 load local5 : int[]
      : iload_3            load local3 : ..
      : iaload            arr[..]进栈
      : istore_2            int local2 = arr[..]
      : getstatic     #                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      : iload_2            load local2 :arr[..]
      : invokevirtual #                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      : iinc          ,         local3 +=
      : iload_3            load local3 :..
      : iload                 load local4 :
      : if_icmplt             local3 < local4 ? go line31:next line
      : return
}

以上代码我加入了注释,这里大家应该可以看懂了,不考虑超类加载,foreach总共创建了5个本地变量:

local1是原始数组,引用类型

local5是原始数组副本,引用类型

local4是副本数组长度,int类型

local3是0,int类型

local2是arr[i]的副本,int类型

总结:

1.for循环和foreach循环底层创建变量数不同,对于遍历int[]类型数组,for循环底层创建2个本地变量,而foreach底层创建5个本地变量;

2.for循环直接对数组进行操作,foreach对数组副本进行操作;

由于foreach是对数组副本操作,开发中可能导致的问题:

附上java代码和javap -c代码

 public class ForeachDemo {

     public static void main(String[] args) {
         // TODO Auto-generated method stub

         String[] s1 = new String[];
         for (String item : s1) {//这里的s1实际是s1副本
             item = new String("b");
             System.out.println(item);//这里可以把副本中的每项打印出来
         }
         print(s1);//打印s1是null,因为s1在内存地址中没有任何变化

     }

     private static void print(String[] s) {
         // TODO Auto-generated method stub
         for (int i = ; i < s.length; i++) {
             System.out.print(s[i]+" ");
         }
     }

 }

Compiled from "ForeachDemo.java"
public class cn._012thDay._foreach.ForeachDemo {
  public cn._012thDay._foreach.ForeachDemo();
    Code:
       : aload_0
       : invokespecial #                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       : return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       : iconst_3
       : anewarray     #                 // class java/lang/String
       : astore_1
       : aload_1
       : dup
       : astore
       : arraylength
      : istore
      : iconst_0
      : istore_3
      : goto
      : aload
      : iload_3
      : aaload
      : astore_2
      : new           #                 // class java/lang/String
      : dup
      : ldc           #                 // String b
      : invokespecial #                 // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
      : astore_2
      : getstatic     #                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      : aload_2
      : invokevirtual #                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      : iinc          ,
      : iload_3
      : iload
      : if_icmplt
      : aload_1
      : invokestatic  #                 // Method print:([Ljava/lang/String;)V
      : return
}

javap -c代码第7行新建了String[]数组副本变量5,之后一直在对副本进行操作,直到48行aload_1,然后打印,此时不难看出foreach中进行的所有操作都没有对本地变量1(即原数组)的值产生任何影响.

所以main方法最后一行打印数组s1,其结果一定是3个null