JDK 1.8 预览版 Lambda语法分析

一、lambda含义

    lambda表示数学符号“λ”，计算机领域中λ代表“λ演算”，表达了计算机中最基本的概念：“调用”和“置换”。在很多动态语言和C#中都有相应的lambda语法，这类语法都为了简化代码，提高运行效率。

二、lambda 项目的背景，参考这里。

    无论是面向对象语言还是函数式语言，基本数值都可以被动态的封装入程序动作：面向对象语言通过“方法”，函数式语言通过“函数。

    介于“方法”和“函数”的定义有很多种，补充下IBM知识库的解释：

在面向对象语言中，方法不是一阶值（First-class value），在函数式语言中，函数是一阶值。在函数式语言中，函数可以作为另一个函数的返回值或参数，还可以作为一个变量的值，函数可以嵌套定义，而在面向对象语言中的的“方法”做不到这点。

    Java可以说是面向对象语言的代表，如果要调用其方法，需要先创建对象。不过Java对象都是“重量级”的，实例化具体的类的对象，需要经过定义和申明两个阶段。比如定义方法，并给内部字段赋初始值。但是一个对象只包含一个方法的情况很多，比如实现API中的“回调接口”功能的类，在swing中有接口：

public interface ActionListener { 
    void actionPerformed(ActionEvent e);
}

   现有的实现方式大多是：

button.addActionListener(new ActionListener() { 
  public void actionPerformed(ActionEvent e) { 
    ui.dazzle(e.getModifiers());
  }
});

    很多现有的类库都基于这种设计实现，所以对于代码被明确定义运行在单独线程的API来说，匿名内部类尤为重要。这些匿名内部类只存在于创建它的线程中。但是在并行计算领域，CPU的制造商着力发展多核技术来提升CPU的功能，这么做几乎无法依靠多核的优势来提升其性能。

    鉴于回调函数和其他功能式语法的关系越来越密切，所以必须建立尽可能的轻量级的数据模型（从编码角度而言，性能方面下文再说）。对于这点来说匿名内部类的缺点如下：

1. 语法相对复杂。

2. 在调用内部类的上下文中，指引和this的指代容易混淆。

3. 类加载和实例创建语法不可避免。

4. 不能引用外部的非final对象。

5. 不能抽象化控制流程

    针对这些问题，lambda项目致力于

1. 消除问题1和问题2，通过引入更简单的表达式和局部变量的定义规则。

2. 回避问题3，定义更灵活更友善的语法。这里只是回避，类加载和实例化本身不可避免。下文会解释。

3. 改善问题4，允许用户使用最终有效的局部变量。

    不过lambda项目目前并不能解决所有关于内部类的问题。问题4和问题5没有完全解决，这计划在将类版本中继续改善。对于性能方面，原文也没有提，不过后面有些补充。

三、lambda用法

    通过上文可以了解到，lambda语法是针对“回调接口”和“匿名内部类”作出的改进，所以lambda的语法目前仅对于部分接口，这些接口的特点是只含一个抽象方法，在lambda项目中，早期称为SAM类型(SAM = single abstract method 即单一抽象方法)。在最新的文档中(即这个版本)，它们有了新名字，叫函数接口（functional interface)，比如：

    其中代码块很像一个方法体，return语句将控制权交还给匿名方法(anonymous method，即lambda表达式)的调用者；break和continue不能出现在函数体的顶部，不过可以出现在内部的循环里；如果代码块得出最终结果，那么每一个控制路径(control path) 必须都有返回或抛出异常。

如果代码块只有简单一行，可以省略return关键字和“{}”符号(以下所写的例子都是基于JDK 1.8 lambda预览版)，比如：

public class LambdaTest {	
	public static void main(String... args) {
		//这里有{}和return 以及 ;
		Runnable r = () -> { System.out.println("hello world"); };
		
		//这里不需要{}和return
		java.util.Comparator<String> c = (String s1, String s2) -> s2.length()-s1.length();		
		r.run();
		System.out.println(c.compare("s1", "12323"));
	}
}

输出为：

hello world

3

除了这些现有接口，我们还可以自定义函数接口：

public class LambdaTest {
	interface lambdaInterface {
		public void me(String str);
	}

	public static void main(String... args) {
		lambdaInterface li = (String s)->{System.out.println(s);};
		li.me("hello world!");
	}
}

 输出为：

hello world!

    新的lambda方法从语法上的确是简化了很多。和lambda第一次发布的语法相比也优雅很多。

四、lambda代码块的字节码

看完了语法的确很简单，那么lambda是怎么实现的，就得从字节码考察了。这里和匿名内部类做个对比，编译如下代码：

public class LambdaTest {
	lambdaInterface li1 = ()->{System.out.println(this);};
	lambdaInterface li2 = new lambdaInterface(){
			public void me(){
				System.out.println(this);
			}
		};
	
	public static void main(String... args) {
		LambdaTest lt = new LambdaTest();
		lt.li1.me();
		lt.li2.me();
	}
}

interface lambdaInterface {
	public void me();
}

编译后有会有四个文件：

LambdaTest.class          

LambdaTest$1.class      

LambdaTest$2.class

lambdaInterface.class    

它的的输出结果为：

LambdaTest@200bde

LambdaTest$1@1eb41d6

结果很明显地显示，lambda代码块和内部类的this的指引是不一样的。lambda代码块输出的是调用者的this，即lambdaTest.class的实例。匿名内部类输出的是自己lambdaTest$1.class的实例。

先看看lambdaTest.class的字节码：

public class LambdaTest {
  lambdaInterface li1;

  lambdaInterface li2;

  public LambdaTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: new           #2                  // class LambdaTest$2
       8: dup
       9: aload_0
      10: aload_0
      11: invokespecial #3                  // Method LambdaTest$2."<init>":(LLambdaTest;LLambdaTest;)V
      14: putfield      #4                  // Field li1:LlambdaInterface;
      17: aload_0
      18: new           #5                  // class LambdaTest$1
      21: dup
      22: aload_0
      23: invokespecial #6                  // Method LambdaTest$1."<init>":(LLambdaTest;)V
      26: putfield      #7                  // Field li2:LlambdaInterface;
      29: return

  public static void main(java.lang.String...);
    Code:
       0: new           #8                  // class LambdaTest
       3: dup
       4: invokespecial #9                  // Method "<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: getfield      #4                  // Field li1:LlambdaInterface;
      12: invokeinterface #10,  1           // InterfaceMethod lambdaInterface.me:()V
      17: aload_1
      18: getfield      #7                  // Field li2:LlambdaInterface;
      21: invokeinterface #10,  1           // InterfaceMethod lambdaInterface.me:()V
      26: return
}

   从这里可以看出，lambda代码块和匿名内部类的调用方法是一样的，都是先创建一个方法，然后创建其句柄，这两个句柄分别对应lambdaTest$2.class和lambdaTest$1.class。

   其中匿名内部类对应LambdaTest$1，它的字节码为：

class LambdaTest$1 implements lambdaInterface {
  final LambdaTest this$0;

  LambdaTest$1(LambdaTest);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #1                  // Field this$0:LLambdaTest;
       5: aload_0
       6: invokespecial #2                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       9: return

  public void me();
    Code:
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
       7: return
}

    lambda代码块对应LambdaTest$2，它的字节码为：

class LambdaTest$2 implements lambdaInterface {
  LambdaTest encl$0;

  final LambdaTest this$0;

  LambdaTest$2(LambdaTest, LambdaTest);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #1                  // Field this$0:LLambdaTest;
       5: aload_0
       6: invokespecial #2                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       9: aload_0
      10: aload_2
      11: putfield      #3                  // Field encl$0:LLambdaTest;
      14: return

  public void me();
    Code:
       0: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #3                  // Field encl$0:LLambdaTest;
       7: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
      10: return
}

    从它们的字节码可以很明显的看出，lambda代码块的字节码在初始化时多了putfield指令，在me()运行时，有getfield指令。从解释Field encl$0:LLambdaTest;中可以知道这步骤就是LambdaTest实例引用的入栈和出栈，所以lambda的代码块的this的引用是其调用者LambdaTest.class，这里和匿名内部类不一样。相比较而言，lambda代码块对this的引用更精准。

    至此lambda项目的前两个目标已经完成。即简化语法，和明确对象指引。

五、lamdab的性能

    在JDK1.7中，引入了虚拟机新指令，invokedynamic（有点函数指针的味道），将用于支持lambda项目，具体可以参考Rémi Forax 的博客。

    但是目前javap指令还不能直生成带有invokedynamic指令的字节码，不过可以通过别的工具来实现，可以参考周志明的文章。这里引用引用周志明的说明，简单的解释如下（详细的请看他的文章）：

    每一处含有invokedynamic指令的位置都被称作“动态调用点（Dynamic Call Site）”，这条指令的第一个参数不再是代表方法符号引用的CONSTANT_Methodref_info常量，而是变为JDK 7新加入的CONSTANT_InvokeDynamic_info常量，从这个新常量中可以得到3项信息：引导方法（Bootstrap Method，此方法存放在新增的BootstrapMethods属性中）、方法类型（MethodType）和名称。引导方法是有固定的参数，并且返回值是java.lang.invoke.CallSite对象，这个代表真正要执行的目标方法调用。根据CONSTANT_InvokeDynamic_info常量中提供的信息，虚拟机可以找到并且执行引导方法，从而获得一个CallSite对象，最终调用要执行的目标方法上。

     换句话说就是在虚拟机内部加入了类似C的函数指针功能。从以上的例子中可以看出，目前lambda的代码块是按照匿名内部类的方式进行工作的，即：内部类+方法句柄，那么虚拟机工作的第一步是加载内部类，再调用对应方法，如果使用过于平频繁，那么内部类的new动作开销就比较大了。在invokedynamic指令的帮助下，可以直接调用lambda所对应的方法，而不用创建内部类，这样就避免了“内部类”所带来的加载等问题。目前从lambda的话题库来看是这么解释invokedynamic如何工作和优势的。

    在lamdba项目的说明中已经明确表示，在预览版中将lamdba代码块编译成内部类的形式是暂时的。最终将采用invokedynamic指令来实现，即提升性能的部分最终是invokedynamic指令对函数接口的支持行能力来提升。

public class LambdaTest {
	lambdaInterface li1 = (String s)->{System.out.println(s);};
		
	lambdaInterface li2 = new lambdaInterface(){
			public void me(String s){
				System.out.println(s);
			}
		};
	
	public static void main(String... args) {
		//这里原来有错误，已经纠正了。
		LambdaTest lt = new LambdaTest();
                long l1 = System.currentTimeMillis();
		for (int i = 0; i < 1000; i++) {
			lt.li1.me("21");
		}
		long l2 = System.currentTimeMillis();
		for (int i = 0; i < 1000; i++) {
			lt.li2.me("21");
		}
		long l3 = System.currentTimeMillis();
		System.out.println(l2-l1);
		System.out.println(l3-l2);
	}
}

java.util.Comparator<String> c = (String s1, String s2) -> s2.length()-s1.length();