JDK8 的 Lambda 表达式原理

JDK8 使用一行 Lambda 表达式可以代替先前用匿名类五六行代码所做的事情，那么它是怎么实现的呢？从所周知，匿名类会在编译的时候生成与宿主类带上 $1, $2 的类文件，如写在 TestLambda 中的匿名类产生成类文件是 TestLambda$1.class, TestLambda$2.class 等。

我试验了一下，如果使用的是 Lambda 表达式并不会生成额外的类文件，那么字节码里是什么样子的？来看下用  javap -c 反编译出下面文件产生的 TestLambda.class，两个方法，一个是  byAnonymousClass() 使用匿名类，另一个是 byLambda 使用 Lambda 的方式：

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package cc.unmi.testjdk8;   import java.awt.event.ActionEvent; import java.awt.event.ActionListener;   import javax.swing.JButton;   public class TestLambda{     private JButton button = new JButton();           public void byLambda() {         button.addActionListener((ActionEvent e) -> System.out.println("Lambda"));     }           public void byAnonymousClass(){                   button.addActionListener(new ActionListener() {             @Override             public void actionPerformed(ActionEvent e) {                 System.out.println("Anonymous class");             }         });     } }

相应的字节码如下：

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

public class cc.unmi.testjdk8.TestLambda {   public cc.unmi.testjdk8.TestLambda();     Code:        0: aload_0               1: invokespecial #10                 // Method java/lang/Object."<init>":()V        4: aload_0               5: new           #12                 // class javax/swing/JButton        8: dup                   9: invokespecial #14                 // Method javax/swing/JButton."<init>":()V       12: putfield      #15                 // Field button:Ljavax/swing/JButton;       15: return             public void byLambda();     Code:        0: aload_0             1: getfield      #15                 // Field button:Ljavax/swing/JButton;        4: invokedynamic #25,  0             // InvokeDynamic #0:actionPerformed:()Ljava/awt/event/ActionListener;        9: invokevirtual #26                 // Method javax/swing/JButton.addActionListener:(Ljava/awt/event/ActionListener;)V       12: return             public void byAnonymousClass();     Code:        0: aload_0               1: getfield      #15                 // Field button:Ljavax/swing/JButton;        4: new           #31                 // class cc/unmi/testjdk8/TestLambda$1        7: dup                   8: aload_0               9: invokespecial #33                 // Method cc/unmi/testjdk8/TestLambda$1."<init>":(Lcc/unmi/testjdk8/TestLambda;)V       12: invokevirtual #26                 // Method javax/swing/JButton.addActionListener:(Ljava/awt/event/ActionListener;)V       15: return         }

对比后我们发现，匿名类的方式会创建一个匿名类(这是废话)，如编译出的的 TestLambda$1.class 文件，在磁盘上能看到 TestLambda$1.class 文件

而 Lambda 的方式则不会产生额外的类文件，我们可以让 TestLambda 只保留 byLambda() 方法，就会发现编译后只会有 TestLambda.class 文件。

对比方法调用指令，byLambda 中使用了一个 JDK7 新加的 invokedynamic 虚拟机指令。invokedynamic 就是个关键，这里不去深挖，只简单说明，总之它对于 Java 进行函数式编程，增强了语言的动态性意义匪浅，它重新引入了像 C 里函数指针类似的方法句柄的概念。JDK7 之前的方法调用指令有 invokestatic, invokespecial, invokevirtual 和 invokeinterface 四个，它们都是在编译时就确定了实际调用哪个方法。而 invokedynamic 能让虚拟机在执行到该指令时才去动态的链接，调用实际的方法，所以每个 invokedynamic 就是一个动态调用点。

具体到我们的例子，也就是说对于这个例子虚拟机会在执行 byLambda 的 invokedynamic #25,  0  指令时动态的在内存中创建一个类似与 TestLambda$1 的类，名字可能是 TestLambda$1$$Lambda$1。

为此，我专门做了个实验，下面的代码编译会生成两个类文件，TestLambda.class，TestLambda$1.class, 第二个类文件是由 new ActionListener() 时创建的匿名类。 然后执行下面的代码：

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

package cc.unmi.testjdk8;   import java.awt.event.ActionEvent; import java.awt.event.ActionListener;   import javax.swing.JButton; import javax.swing.JFrame;   public class TestLambda{     private static final JButton button = new JButton("Click");           public static void main(String[] args) {         JFrame frame = new JFrame();         frame.setSize(600, 480);         frame.add(button);         button.addActionListener(new ActionListener() {             @Override             public void actionPerformed(ActionEvent e) {                 button.addActionListener((ActionEvent ae) -> {                     System.out.println("button clicked.");                 });                             }         });                   frame.setVisible(true);     } }

JDK 给我们提供了不少分析 JVM 的工具，如 jps, jinfo, jstack, jmap, jhat, jconsole, jvisualvm 等。

命令：

jps         #可看到 Java Process ID
jmap -dump:file=before_click.dump <pid>   #click 前堆转储为文件
jmap -dump:file=after_click.dump <pid>   #click 后堆转储为文件
jhat before_click.dump         #默认在  7000 端口打开 Web 服务浏览 open http://localhost:7000
jhat -port 7001 after_click.dump  #open http://localhost:7001

我们可分别在点击按钮的前后用 jmap 生成快照文件 before_click.dump 和 after_click.dump。在点击按钮之前虚拟机还未真正执行到 Lambda 表达式。

用 jhat 浏览 before_click.dump，即点击按钮之前的快照，看到的是：

本文原始链接 http://unmi.cc/jdk8-lambda-3-inside/, 来自 隔叶黄莺 Unmi Blog

只加载了两个类，TestLambda 和匿名类 TestLambda$1。点击 class cc.unmi.testjdk8.TestLambda$1, 看到 TestLambda$1 中是说继承自 Object, 并未告知它与 ActionListner 有何实现上的关系。

再用 jhat 打开点击按钮执行了 Lambda 表达式后的快照 after_click.dump，这时候就会发现多一个类 cc.unmi.testjdk8.TestLambda$1$$Lambda$1

在磁盘上并不存在这个文件，这是在执行 Lambda 表达式时内存中动态生成的，点击它看看它的父类是什么

在 JDK8 正式版中，它的父类变成了 java.lang.Object。

在早先的 JDK8 Beta 版中，它的父类是 MagicLambdaImpl，确实有点名符其实，Magic，以图为证：

上面使用的 JDK 工具是 jmap 和 jhat，也可以用 Java VisualVM -- 即 jvisualvm 指令来查看执行 lambda 前后的内存快照。截了两个图：

上图为点击按钮前的快照，可以看到只有两个类

上图是点击按钮后的快照，又多了 cc.unmi.testjdk8.TestLambda$1$$Lambda$1  这个类。

小结：JDK8 在实现 Lambda 时使用了 JDK7 虚拟机开始有的 invokedynamic  方法调用指令，该知使得虚拟机执行到 Lambda 表达式时才动态的去创建相应的实现类，并加载执行。