Java 理论与实践: 在 JDK 早期版本中使用 Java 5 的语言特性

Java™ 5 添加了许多强大的语言特性：泛型、枚举、注释、自动装箱和增强的 for 循环。但是，许多工作组仍然被绑定在 JDK 1.4 或以前的版本上，可能需要花些时间才能使用新版本。但是，这些开发人员仍然可以使用这些功能强大的语言特性，同时在 JVM 早期版本上部署。在这一期 Java 理论与实践 中，Brian Goetz 将演示如何在 JDK 早期版本中使用 Java 5 的语言特性。

随着最新的 Java 6.0 的发布，您可能认为 Java 5 的语言特性是 “旧的新特性”。但是即使在现在，当我询问开发人员在开发时使用的 Java 平台的版本时，通常只有一半人在使用 Java 5 —— 另一半则只能表示羡慕。他们非常希望使用 Java 5 中添加的语言特性，例如泛型和注释，但仍有许多因素妨碍他们这样做。

不能利用 Java 5 特性的开发人员包括那些开发组件、库或应用程序框架的开发人员。因为他们的客户可能仍然在使用 JDK 1.4 或以前的版本，并且 JDK 1.4 或以前的 JVM 不能装载用 Java 5 编译的类，所以使用 Java 5 语言特性会把他们的客户基数限制在已经迁移到 Java 5 的公司。

另一类经常避免使用 Java 5 的开发人员是使用 Java EE 的开发人员。许多开发团队不愿在 Java EE 1.4 及以前的版本上使用 Java 5，因为担心其应用服务器的厂商不支持 Java 5。这些开发人员要迁移到 Java EE 5 可能还有待时日。除了 Java EE 5 和 Java SE 5 规范之间的滞后，商业 Java EE 5 容器没有必要在规范刚刚制定好就能使用，企业也没有必要在应用服务器出现下一个版本时就立即升级，而且在升级应用服务器之后，可能还需要花些时间在新平台上验证其应用程序。

Java 5 语言特性的实现

Java 5 中添加的语言特性 —— 泛型、枚举、注释、自动装箱和增强的 for 循环 —— 不需要修改 JVM 的指令集，几乎全部是在静态编译器（javac）和类库中实现的。当编译器遇到使用泛型的情况时，会试图检查是否保证了类型安全（如果不能检查，会发出 “unchecked cast”），然后发出字节码，生成的字节码与等价的非泛型代码、类型强制转换所生成的字节码相同。类似的，自动装箱和增强的 for 循环仅仅是等价的 “语法糖”，只是更复杂的语法和枚举被编译到普通的类中。

在理论上，可以采用 javac 生成的类文件，在早期的 JVM 中装入它们，这实际上正是 JSR 14（负责泛型的 Java Community Process 工作组）的成立目的。但是，其他问题（例如注释的保持）迫使类文件的版本在 Java 1.4 和 Java 5 之间变化，因此妨碍了早期 JVM 中装入用 Java 5 编译的代码。而且，在 Java 5 中添加的有些语言特性依赖于 Java 5 库。如果用 javac -target 1.5 编译类，并试图将它装入早期 JVM 中，就会得到 UnsupportedClassVersionError，因为 -target 1.5 选项生成的类的类文件版本是 49，而 JDK 1.4 只支持版最大为 48 的类文件版本。

for-each 循环

增强的 for 循环有时叫做 for-each 循环，编译器编译它的时候，情形与程序员提供旧式 for 循环一样。for-each 循环能够迭代数组或集合中的元素。清单 1 显示了用 for-each 在集合上迭代的语法：

清单 1. for-each 循环

				
Collection<Foo> fooCollection = ...

for (Foo f : fooCollection) { 
    doSomething(f);
}

编译器把这个代码转换成等价的基于迭代器的循环，如清单 2 所示：

清单 2. 清单 1 基于迭代器的等价循环

				
for (Iterator<Foo> iter=f.iterator(); f.hasNext();) { 
    Foo f = iter.next();
    doSomething(f);
}

编译器如何知道提供的参数有一个 iterator() 方法呢？ javac 编译器的设计者可能已经内置了对集合框架的理解，但是这种方法有些不必要的限制。所以，创建了一个新的接口 java.lang.Iterable（请参阅清单 3 ），并翻新集合类使其实现 Iterable 接口。这样，不是在核心集合框架上构建的容器类也能利用新的 for-each 循环。但是这样做会形成对 Java 5 类库的依赖，因为在 JDK 1.4 中没有 Iterable。

清单 3. Iterable 接口

				
public interface Iterable<T> {
    Iterator<T> iterator();
}

枚举和自动装箱

正像 for-each 循环一样，枚举也要求来自类库的支持。当编译器遇到枚举类型时，生成的类将扩展库类 java.lang.Enum。但是，同 Iterable 一样，在 JDK 1.4 类库中也没有 Enum 类。

类似的，自动装箱依赖于添加到原始包装器类（例如 Integer）的 valueOf() 方法。当装箱需要从 int 转换到 Integer 时，编译器并不调用 new Integer(int)，而是生成对 Integer.valueOf(int) 的调用。valueOf() 方法的实现利用 享元（flyweight）模式 为常用的整数值缓存 Integer 对象（Java 6 的实现缓存从 -128 到 127 的整数），由于消除了冗余的实例化，可能会提高性能。而且，就像 Iterable 和 Enum 一样，valueOf() 方法在 JDK 1.4 类库中也不存在。

变长参数

当编译器遇到用变长参数列表定义的方法时，会把其转换成包含正确组件类型数组的方法；当编译器遇到带有变长参数列表方法的调用时，就把参数装进数组。

注释

定义了注释的之后，可以用 @Retention 对它进行注释，它可以决定编译器对使用这个注释的类、方法或字段执行什么处理。已经定义的保持策略有 SOURCE （在编译时舍弃注释数据）、CLASS （在类文件中记录注释）或 RUNTIME （在类文件中记录注释，并在运行时保留注释，这样就可以反射地访问它们了）。

其他的库依赖关系

在 Java 5 之前，当编译器遇到尝试连接两个字符串的情况时，会使用帮助器类 StringBuffer 执行连接。在 Java 5 及以后的版本中，转而调用新的 StringBuilder 类，JDK 1.4 及以前的类库中不存在该类。

访问 Java 5 特性

因为语言特性对库支持的依赖，即使使用 Java 5 编译器生成的类文件能够装入早期 JVM 版本，执行也会因为类装入错误而失败。但是，通过对字节码进行适当转换，仍有可能解决这些问题，因为这些遗漏的类并不包含实际的新功能。

JSR 14

在 Java 泛型规范（以及其他 Java 5 新添加的语言特性）的开发期间，在 javac 编译器中添加了试验性的支持，以便让它能使用 Java 5 的语言特性，并生成能在 Java 1.4 JVM 上运行的字节码。虽然这些特性不受支持（甚至是文档），但许多开源项目都使用了它们，使得开发人员能使用 Java 5 语言特性编码，并生成能在早期 JVM 上使用的 JAR 文件。而且，既然 javac 是开源的，那么这个特性有可能得到第三方的支持。要激活这些特性，可以用 -source 1.5 和 -target jsr14 选项调用 javac。

javac 的 JSR 14 目标模式使编译器生成与 Java 5 语言特性对应的 JDK 1.4 兼容字节码：

• 泛型和变长参数：编译器在泛型出现的地方插入的强制转换不依赖类库，所以能够在 Java 5 之前的 JVM 上很好地执行。类似的，编译器在出现变长参数列表的地方生成的代码也不依赖类库。
  
  
• for-each 循环：当迭代数组时，编译器生成归纳变量和标准的数组迭代语法。当在 Collection 上迭代时，编译器生成标准的基于迭代器的语法。当在非集合的 Iterable 上迭代时，编译器生成错误。
  
  
• 自动装箱：编译器不生成对包装器类的 valueOf() 方法的调用，而是生成对构造函数的调用。
  
  
• 字符串连接：javac 的 JSR 14 目标模式使编译器生成对 StringBuffer 的调用而不是对 StringBuilder 的调用。
  
  
• 枚举：javac JSR 14 目标模式对枚举没有特殊支持。尝试使用枚举的代码会失败，在寻找 java.lang.Enum 基类时出现 NoClassDefFoundError。

使用 JSR 14 目标模式允许在 “简易” 情况下编写使用泛型、自动装箱和 for-each 循环的代码，这对多数项目来说可能足够了。这很方便，如果不支持的话，编译器会一次生成基本兼容的字节码。

Retroweaver

JSR 14 目标模式不支持某些 Java 5 语言特性（例如 Iterable 和枚举）。Retroweaver 和 Retrotranslator 这类开源项目采用的另一种方法是用 -target 1.5 生成字节码，然后自动将字节码转换成与 JDK 1.4 兼容的东西。

首先是 Retroweaver，它能处理 javac -target JSR 14 能处理的所有情况和其他一些情况：

• for-each 循环：Retroweaver 提供了 Iterable 接口的实现，把实现 Iterable 的类重写成实现它自己版本的类。
  
  
• 自动装箱：Retroweaver 把对 valueOf() 方法的调用重写成调用对应的构造函数。
  
  
• 字符串连接：Retroweaver 用 StringBuffer 代替了 StringBuilder。
  
  
• 枚举：Retroweaver 提供了 Enum 基类的实现，并重写了实现 Enum 的类，或者调用它的方法以使用自己的版本。

Retrotranslator

正如在开源世界中经常发生的，如果一个项目停止发展，无疑说明它已经失败，一个新项目会取代它的位置，即使它只是在休息。这就是 Retroweaver 的命运；它的主要维护者中断了项目，另一个类似项目 Retrotranslator 就取代了它的位置。Retrotranslator 提供了与 Retroweaver 相同的特性，外加许多额外特性，目标是支持 Java 5 中添加的重要类库：

• 把对 java.util.concurrent 类的调用替换成开源 JDK 1.4 backport 中对应的类。
  
  
• 提供了添加到 Java 5 集合框架中的特性的实现，例如 Arrays 和 Collections 中的新方法。类似的，还提供了添加到 Java 5 类库的其他新方法和类的实现。
  
  
• 支持注释的运行时反射。

Retroweaver 和 Retrotranslator 都能静态地（在编译时）或动态地（在类装入时）执行它们的字节码转换。

结束语

对于不能使用 Java 5 语言特性的开发人员（而且不幸的是，这类开发人员还很多），有多种方法可以使他们使用 Java 5 的一些语言特性，同时保持与 JDK 1.4 及以前版本的字节码兼容性。javac 中不支持的 -target jsr14 选项可以为某些 Java 5 语言特性生成与 JDK 1.4 兼容的字节码，并且开源的 Retroweaver 和 Retrotranslator 项目能把多数 Java 5 字节码转换成与 Java 1.4 兼容的字节码。当然，不论选择哪种方式，都不要忘记仔细地进行测试，以验证其确实兼容。