和Lambdas的第一次亲密接触

Lambda工程是即将到来的Java8的一大主题，可能也是程序员们最期待已久的东西。随着Java lambdas的到来，还有一个有趣的东西被附带的加进了Java语言——defender(守卫者)方法。在这篇文章里，我的目的是要看看面纱后的东西——看看在运行时环境里lambdas是表现的，在方法的调度过程中涉及到哪些字节码指令。

尽管Java 8还没有正式发布，我们仍然可以下载各种平台上的 早期预览版，在其上做简单的尝试。

你也想试试lambdas，是吗？

如果你熟悉其它的还有lambda表达式的编程语言，比如Groovy 或 Ruby，当第一眼看到Java里的lambda时，你也许会吃惊于它的不简单。在Java里，lambda表达式是 “SAM”(Single Abstract Method)——一个含有一个抽象方法的接口(是的，现在接口里可以含有一个非抽象的方法，defender守卫方法)。

举个例子，大家熟知的 Runnable接口就可以完美的被当作一个SAM类型：

Runnable r = () -> System.out.println("hello lambda!");

，这同样也适用于Comparable接口：

Comparator<Integer> cmp = (x, y) -> (x < y) ? -1 : ((x > y) ? 1 : 0);

写成下面的样子也是一样的：

Comparator<Integer> cmp = (x, y) -> {
  return (x < y) ? -1 : ((x > y) ? 1 : 0);
};

从中可以看出，单行的lambda表达式似乎是隐含了一个 return语句。

那么，如何写一个能接受lambda表达式作为参数的方法呢？这样，你需要先把这个参数声明成函数式的接口，然后把lambda传入：

interface Action {
   void run(String param);
}

public void execute(Action action){
   action.run("Hello!");
}

一旦有了一个能将函数式接口作为参数的方法，我们就可以像下面这样调用它：

execute((String s) -> System.out.println(s));

还可以更简洁，这个表达式可以被替换成对一个方法的引用，因为它只是单个方法，而且它们的参数是相同的：

execute(System.out::println);

然而，如果参数上有任何其它形式的变化，我们就不能直接引用方法，必须写全lambda表达式：

execute((String s) -> System.out.println("*" + s + "*"));

我觉得这种语法还是相当漂亮的，现在，Java语言里有了一个非常优雅的lambdas解决方案，尽管Java里并不存在函数式类型。

JDK 8里的函数式接口

我们已经知道，lambda在运行时的表现形式是一个函数式的接口(或“SAM类型”)——只有一个抽象方法的接口。尽管JDK里已经有了不少这样的接口，例如 Runnable 和 Comparable ，它们符合这种标准，但很显然，对于一个新API的进化来说，这是不够的。我们不可能所有地方都用Runnables接口。

在JDK 8 里有个新包， java.util.function，里面包含了很多函数式接口，都是提供在新API里使用的。我不想把它们全列出来——你们自己可以去看一下，学习一下这个新包

但看起来这个新包在不断的变化，经常性的一些新接口会出现而另一些会消失。例如，以前曾有过 java.util.function.Block 这个类，最新的版本中却没有它，我写这篇博客时使用的版本是：

anton$ java -version
openjdk version "1.8.0-ea"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0-ea-b75)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.0-b15, mixed mode)

我研究发现，它现在被 Consumer 接口替代，collection包里的所有新方法都将使用它。例如， Collection接口里定义了 forEach方法，如下：

public default void forEach(Consumer<? super T> consumer) {
  for (T t : this) {
    consumer.accept(t);
  }
}

Consumer接口里一个有趣地方是，它实际上定义了一个抽象方法—— accept(T t)和一个defender方法—— Consumer<T> chain(Consumer<? extend T> consumer)。这就是说你可以链式调用这个接口。我不确定如何使用，因为我在JDK包里没有找到 chain(..)的使用方法说明。

我还发现所有的接口都使用了 @FunctionalInterface运行时注注解注释。这个注释不仅仅是个说明，它还被javac使用来验证这个接口是否真是一个函数式接口，是否至少有一个抽象方法在里面。

所以，如果我们来编译下面的这段代码

@FunctionalInterface
interface Action {
  void run(String param);
  void stop(String param);
}

编译器会告诉我们：

java: Unexpected @FunctionalInterface annotation
  Action is not a functional interface
	multiple non-overriding abstract methods found in interface Action

而下面的就能编译通过：

@FunctionalInterface
interface Action {
  void run(String param);
  default void stop(String param){}
}

反编译lambdas

我对语法语言特征其实并不是很好奇，我更好奇的是这些特征在运行时的表现形式，这就是为什么我像往常一样，拿起我喜爱的 javap工具，开始查看lambdas里的这些类的 字节码。

目前(在Java 7之前)，如果你想在Java里模拟lambdas，你需要定义一个匿名的内部类。它在编译后会产生一个具体的class。如果你在一段代码里定义了多个这样的类，你会发现这些类后面会跟着一些数字。那lambdas也会这样吗？

看看下面的这段代码：

public class Main {

  @FunctionalInterface
  interface Action {
    Object run(String s);
  }

  public void action(Action action){
    action.run("Hello!");
  }

  public static void main(String[] args) {
    new Main().action((String s) -> System.out.print("*" + s + "*"));
  }

}

编译产生了两个类文件： Main.class 和 Main$Action.class，没有匿名类实现里那样的序号化的类。那么，在 Main.class里应该会有一些东西来代表我在main方法里定义的lambdas表达式的实现。

$ javap -p Main 

Warning: Binary file Main contains com.zt.Main
Compiled from "Main.java"
public class com.zt.Main {
  public com.zt.Main();
  public void action(com.zt.Main$Action);
  public static void main(java.lang.String[]);
  private static java.lang.Object lambda$0(java.lang.String);
}

啊哈！编译类了产生了 lambda$0方法！使用 -c -v指示符会让我们看到真正的字节码，以及常量池的定义。

main方法里显示，invokedynamic被用来调度这个调用：

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
   0: new               #4    // class com/zt/Main
   3: dup          
   4: invokespecial #5        // Method "":()V
   7: invokedynamic #6,  0    // InvokeDynamic #0:lambda:()Lcom/zt/Main$Action;
   12: invokevirtual #7       // Method action:(Lcom/zt/Main$Action;)V
   15: return

而在常量池里，你也可以找到运行时的启动方法：

BootstrapMethods:
  0: #40 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metaFactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
  Method arguments:
    #41 invokeinterface com/zt/Main$Action.run:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Object;
    #42 invokestatic com/zt/Main.lambda$0:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Object;
    #43 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Object;

你会发现到处都是在使用MethodHandle API，但我们现在不打算深入到里面。现在我们可以确认一点，我们的定义是引用了编译出来 lambda$0方法。

我很好奇，如果我定义一个相同名字的静态方法会怎样——毕竟“lambda$0”是一个有效的标识符！于是，我定义了自己的 lambda$0方法：

public static Object lambda$0(String s){ return null; }

而编译失败，编译器不允许我在代码了拥有这个方法：

java: the symbol lambda$0(java.lang.String) conflicts with a 
           compiler-synthesized symbol in com.zt.Main

同时，如果我删掉这段定义lambdas表达式的代码，程序能顺利编译通过。这就是说，lambdas表达式在编译期间会比类里的其它数据早先分析，不过这只是我的猜测。

请注意：在这个例子中，lambda并没有去引用任何变量，也没有引用类内部的任何方法。这就是为什么产生的 lambda$0方法是 静态的。如果lambdas引用了上下文中的变量或方法，那生成的将是一个 非静态方法。所以，不要被这个例子误导——lambdas是可以捕获上下文环境内容的！

总结lambdas

我可以毫无疑问的说，lambdas和伴随它一起的各种特征(守卫方法(defender)
,升级的集合类库)将很快给Java带来巨大的冲击。它的语法相当的简单，一旦程序员们意识到这些功能给开发效率带来的好处，我们将会看到大量的程序员都会运用这个功能。

看看lambdas会编译成什么样子，这对于我来说是一件非常有趣的事情，我很开心，因为我看到这些所有的 invokedynamic指令调用都没有出现匿名内部类。