不了解这12个语法糖,别说你会Java!
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作者:Hollis

本文从 Java 编译原理角度,深入字节码及 class 文件,抽丝剥茧,了解 Java 中的语法糖原理及用法,帮助大家在学会如何使用 Java 语法糖的同时,了解这些语法糖背后的原理

语法糖

语法糖(Syntactic Sugar),也称糖衣语法,是由英国计算机学家 Peter.J.Landin 发明的一个术语,指在计算机语言中添加的某种语法,这种语法对语言的功能并没有影响,但是更方便程序员使用。简而言之,语法糖让程序更加简洁,有更高的可读性。

有意思的是,在编程领域,除了语法糖,还有语法盐和语法糖精的说法,篇幅有限这里不做扩展了。

我们所熟知的编程语言中几乎都有语法糖。作者认为,语法糖的多少是评判一个语言够不够牛逼的标准之一。

很多人说Java是一个“低糖语言”,其实从Java 7开始Java语言层面上一直在添加各种糖,主要是在“Project Coin”项目下研发。尽管现在Java有人还是认为现在的Java是低糖,未来还会持续向着“高糖”的方向发展。

解语法糖

前面提到过,语法糖的存在主要是方便开发人员使用。但其实,Java虚拟机并不支持这些语法糖。这些语法糖在编译阶段就会被还原成简单的基础语法结构,这个过程就是解语法糖。

说到编译,大家肯定都知道,Java语言中,javac命令可以将后缀名为.java的源文件编译为后缀名为.class的可以运行于Java虚拟机的字节码。

如果你去看com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler的源码,你会发现在compile()中有一个步骤就是调用desugar(),这个方法就是负责解语法糖的实现的。

Java 中最常用的语法糖主要有泛型、变长参数、条件编译、自动拆装箱、内部类等。本文主要来分析下这些语法糖背后的原理。一步一步剥去糖衣,看看其本质。

糖块一、 switch 支持 String 与枚举

前面提到过,从Java 7 开始,Java语言中的语法糖在逐渐丰富,其中一个比较重要的就是Java 7中switch开始支持String。

在开始coding之前先科普下,Java中的swith自身原本就支持基本类型。比如int、char等。

对于int类型,直接进行数值的比较。对于char类型则是比较其ascii码。

所以,对于编译器来说,switch中其实只能使用整型,任何类型的比较都要转换成整型。比如byte。short,char(ackii码是整型)以及int。

那么接下来看下switch对String得支持,有以下代码:

反编译后内容如下:

看到这个代码,你知道原来字符串的switch是通过equals()和hashCode()方法来实现的。还好hashCode()方法返回的是int,而不是long。

仔细看下可以发现,进行switch的实际是哈希值,然后通过使用equals方法比较进行安全检查,这个检查是必要的,因为哈希可能会发生碰撞。因此它的性能是不如使用枚举进行switch或者使用纯整数常量,但这也不是很差。

糖块二、 泛型

我们都知道,很多语言都是支持泛型的,但是很多人不知道的是,不同的编译器对于泛型的处理方式是不同的。

通常情况下,一个编译器处理泛型有两种方式:Code specialization和Code sharing。

C++和C#是使用Code specialization的处理机制,而Java使用的是Code sharing的机制。

Code sharing方式为每个泛型类型创建唯一的字节码表示,并且将该泛型类型的实例都映射到这个唯一的字节码表示上。将多种泛型类形实例映射到唯一的字节码表示是通过类型擦除(type erasue)实现的。

也就是说,对于Java虚拟机来说,他根本不认识Map<String, String> map这样的语法。需要在编译阶段通过类型擦除的方式进行解语法糖。

类型擦除的主要过程如下:

  •  1.将所有的泛型参数用其最左边界(最顶级的父类型)类型替换。
  •  2.移除所有的类型参数。
以下代码:
解语法糖之后会变成:
以下代码:
类型擦除后会变成:
虚拟机中没有泛型,只有普通类和普通方法,所有泛型类的类型参数在编译时都会被擦除,泛型类并没有自己独有的Class类对象。比如并不存在List<String>.class或是List<Integer>.class,而只有List.class。

糖块三、 自动装箱与拆箱

自动装箱就是Java自动将原始类型值转换成对应的对象,比如将int的变量转换成Integer对象,这个过程叫做装箱,反之将Integer对象转换成int类型值,这个过程叫做拆箱。
因为这里的装箱和拆箱是自动进行的非人为转换,所以就称作为自动装箱和拆箱。
原始类型byte, short, char, int, long, float, double 和 boolean 对应的封装类为Byte, Short, Character, Integer, Long, Float, Double, Boolean。
先来看个自动装箱的代码:
反编译后代码如下:
再来看个自动拆箱的代码:
反编译后代码如下:
从反编译得到内容可以看出,在装箱的时候自动调用的是Integer的valueOf(int)方法。而在拆箱的时候自动调用的是Integer的intValue方法。
所以,装箱过程是通过调用包装器的valueOf方法实现的,而拆箱过程是通过调用包装器的 xxxValue方法实现的。

糖块四 、 方法变长参数

可变参数(variable arguments)是在Java 1.5中引入的一个特性。它允许一个方法把任意数量的值作为参数。
看下以下可变参数代码,其中print方法接收可变参数:
反编译后代码:
从反编译后代码可以看出,可变参数在被使用的时候,他首先会创建一个数组,数组的长度就是调用该方法是传递的实参的个数,然后再把参数值全部放到这个数组当中,然后再把这个数组作为参数传递到被调用的方法中。

糖块五 、 枚举

Java SE5提供了一种新的类型-Java的枚举类型,关键字enum可以将一组具名的值的有限集合创建为一种新的类型,而这些具名的值可以作为常规的程序组件使用,这是一种非常有用的功能。
要想看源码,首先得有一个类吧,那么枚举类型到底是什么类呢?是enum吗?
答案很明显不是,enum就和class一样,只是一个关键字,他并不是一个类。
那么枚举是由什么类维护的呢,我们简单的写一个枚举:
然后我们使用反编译,看看这段代码到底是怎么实现的,反编译后代码内容如下:
通过反编译后代码我们可以看到,public final class T extends Enum,说明,该类是继承了Enum类的,同时final关键字告诉我们,这个类也是不能被继承的。
当我们使用enmu来定义一个枚举类型的时候,编译器会自动帮我们创建一个final类型的类继承Enum类,所以枚举类型不能被继承。

糖块六 、 内部类

内部类又称为嵌套类,可以把内部类理解为外部类的一个普通成员。
内部类之所以也是语法糖,是因为它仅仅是一个编译时的概念。
outer.java里面定义了一个内部类inner,一旦编译成功,就会生成两个完全不同的.class文件了,分别是outer.class和outer$inner.class。所以内部类的名字完全可以和它的外部类名字相同。
以上代码编译后会生成两个class文件:OutterClass$InnerClass.class 、OutterClass.class 。
当我们尝试使用jad对OutterClass.class文件进行反编译的时候,命令行会打印以下内容:
他会把两个文件全部进行反编译,然后一起生成一个OutterClass.jad文件。文件内容如下:


糖块七 、条件编译

—般情况下,程序中的每一行代码都要参加编译。但有时候出于对程序代码优化的考虑,希望只对其中一部分内容进行编译,此时就需要在程序中加上条件,让编译器只对满足条件的代码进行编译,将不满足条件的代码舍弃,这就是条件编译。
如在C或CPP中,可以通过预处理语句来实现条件编译。其实在Java中也可实现条件编译。我们先来看一段代码:
反编译后代码如下:
首先,我们发现,在反编译后的代码中没有System.out.println("Hello, ONLINE!");,这其实就是条件编译。
当if(ONLINE)为false的时候,编译器就没有对其内的代码进行编译。
所以,Java语法的条件编译,是通过判断条件为常量的if语句实现的。根据if判断条件的真假,编译器直接把分支为false的代码块消除。通过该方式实现的条件编译,必须在方法体内实现,而无法在正整个Java类的结构或者类的属性上进行条件编译。
这与C/C++的条件编译相比,确实更有局限性。在Java语言设计之初并没有引入条件编译的功能,虽有局限,但是总比没有更强。

糖块八 、 断言

在Java中,assert关键字是从JAVA SE 1.4 引入的,为了避免和老版本的Java代码中使用了assert关键字导致错误,Java在执行的时候默认是不启动断言检查的(这个时候,所有的断言语句都将忽略!)。
如果要开启断言检查,则需要用开关-enableassertions或-ea来开启。
看一段包含断言的代码:
反编译后代码如下:
很明显,反编译之后的代码要比我们自己的代码复杂的多。所以,使用了assert这个语法糖我们节省了很多代码。
其实断言的底层实现就是if语言,如果断言结果为true,则什么都不做,程序继续执行,如果断言结果为false,则程序抛出AssertError来打断程序的执行。
-enableassertions会设置$assertionsDisabled字段的值。

糖块九 、 数值字面量

在java 7中,数值字面量,不管是整数还是浮点数,都允许在数字之间插入任意多个下划线。这些下划线不会对字面量的数值产生影响,目的就是方便阅读。
比如:
反编译后:
反编译后就是把_删除了。也就是说编译器并不认识在数字字面量中的_,需要在编译阶段把他去掉。

糖块十 、 for-each

增强for循环(for-each)相信大家都不陌生,日常开发经常会用到的,他会比for循环要少写很多代码,那么这个语法糖背后是如何实现的呢?
反编译后代码如下:
代码很简单,for-each的实现原理其实就是使用了普通的for循环和迭代器。

糖块十一 、 try-with-resource


Java里,对于文件操作IO流、数据库连接等开销非常昂贵的资源,用完之后必须及时通过close方法将其关闭,否则资源会一直处于打开状态,可能会导致内存泄露等问题。
关闭资源的常用方式就是在finally块里是释放,即调用close方法。比如,我们经常会写这样的代码:
从Java 7开始,jdk提供了一种更好的方式关闭资源,使用try-with-resources语句,改写一下上面的代码,效果如下:
看,这简直是一大福音啊,虽然我之前一般使用IOUtils去关闭流,并不会使用在finally中写很多代码的方式,但是这种新的语法糖看上去好像优雅很多呢。
反编译以上代码,看下他的背后原理:
其实背后的原理也很简单,那些我们没有做的关闭资源的操作,编译器都帮我们做了。
所以,再次印证了,语法糖的作用就是方便程序员的使用,但最终还是要转成编译器认识的语言。

糖块十二、Lambda表达式

关于lambda表达式,有人可能会有质疑,因为网上有人说他并不是语法糖。其实我想纠正下这个说法。
Labmda表达式不是匿名内部类的语法糖,但是他也是一个语法糖。实现方式其实是依赖了几个JVM底层提供的lambda相关api。
先来看一个简单的lambda表达式。遍历一个list:
为啥说他并不是内部类的语法糖呢,前面讲内部类我们说过,内部类在编译之后会有两个class文件,但是,包含lambda表达式的类编译后只有一个文件。
反编译后代码如下:
可以看到,在forEach方法中,其实是调用了java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metafactory方法,该方法的第四个参数implMethod指定了方法实现。可以看到这里其实是调用了一个lambda$main$0方法进行了输出。
再来看一个稍微复杂一点的,先对List进行过滤,然后再输出:
反编译后代码如下:
两个lambda表达式分别调用了lambda$main$1和lambda$main$0两个方法。
所以,lambda表达式的实现其实是依赖了一些底层的api,在编译阶段,编译器会把lambda表达式进行解糖,转换成调用内部api的方式。

可能遇到的坑

泛型——当泛型遇到重载 

上面这段代码,有两个重载的函数,因为他们的参数类型不同,一个是List另一个是List,但是,这段代码是编译通不过的。因为我们前面讲过,参数List和List编译之后都被擦除了,变成了一样的原生类型List,擦除动作导致这两个方法的特征签名变得一模一样。

泛型——当泛型遇到catch 

泛型的类型参数不能用在Java异常处理的catch语句中。因为异常处理是由JVM在运行时刻来进行的。由于类型信息被擦除,JVM是无法区分两个异常类型MyException<String>和MyException<Integer>的

泛型—当泛型内包含静态变量

以上代码输出结果为:2!由于经过类型擦除,所有的泛型类实例都关联到同一份字节码上,泛型类的所有静态变量是共享的。

自动装箱与拆箱——对象相等比较

输出结果:
在Java 5中,在Integer的操作上引入了一个新功能来节省内存和提高性能。整型对象通过使用相同的对象引用实现了缓存和重用。
适用于整数值区间-128 至 +127。
只适用于自动装箱。使用构造函数创建对象不适用。

增强for循环

会抛出ConcurrentModificationException异常。
Iterator是工作在一个独立的线程中,并且拥有一个 mutex 锁。Iterator被创建之后会建立一个指向原来对象的单链索引表,当原来的对象数量发生变化时,这个索引表的内容不会同步改变,所以当索引指针往后移动的时候就找不到要迭代的对象,所以按照 fail-fast 原则 Iterator 会马上抛出java.util.ConcurrentModificationException异常。
所以 Iterator 在工作的时候是不允许被迭代的对象被改变的。但你可以使用 Iterator 本身的方法remove()来删除对象,Iterator.remove() 方法会在删除当前迭代对象的同时维护索引的一致性。

总结

前面介绍了12种Java中常用的语法糖。所谓语法糖就是提供给开发人员便于开发的一种语法而已。
但是这种语法只有开发人员认识。要想被执行,需要进行解糖,即转成JVM认识的语法。
当我们把语法糖解糖之后,你就会发现其实我们日常使用的这些方便的语法,其实都是一些其他更简单的语法构成的。
有了这些语法糖,我们在日常开发的时候可以大大提升效率,但是同时也要避免过渡使用。使用之前最好了解下原理,避免掉坑。
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