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Java 语法糖详解 |
Java |
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作者：Hollis
语法糖是大厂 Java 面试常问的一个知识点。
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（Syntactic Sugar） 也称糖衣语法，是英国计算机学家 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。
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。
我们这里会用到反编译，你可以通过 Decompilers online 对 Class 文件进行在线反编译。
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。
在开始之前先科普下，Java 中的switch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(ascii 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：
public class switchDemoString {
public static void main(String[] args) {
String str = "world";
switch (str) {
case "hello":
System.out.println("hello");
break;
case "world":
System.out.println("world");
break;
default:
break;
}
}
}反编译后内容如下：
public class switchDemoString
{
public switchDemoString()
{
}
public static void main(String args[])
{
String str = "world";
String s;
switch((s = str).hashCode())
{
default:
break;
case 99162322:
if(s.equals("hello"))
System.out.println("hello");
break;
case 113318802:
if(s.equals("world"))
System.out.println("world");
break;
}
}
}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。
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：
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
map.put("name", "hollis");
map.put("wechat", "Hollis");
map.put("blog", "www.hollischuang.com");解语法糖之后会变成：
Map map = new HashMap();
map.put("name", "hollis");
map.put("wechat", "Hollis");
map.put("blog", "www.hollischuang.com");以下代码：
public static <A extends Comparable<A>> A max(Collection<A> xs) {
Iterator<A> xi = xs.iterator();
A w = xi.next();
while (xi.hasNext()) {
A x = xi.next();
if (w.compareTo(x) < 0)
w = x;
}
return w;
}类型擦除后会变成：
public static Comparable max(Collection xs){
Iterator xi = xs.iterator();
Comparable w = (Comparable)xi.next();
while(xi.hasNext())
{
Comparable x = (Comparable)xi.next();
if(w.compareTo(x) < 0)
w = x;
}
return w;
}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。
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：
public static void main(String[] args) {
int i = 10;
Integer n = i;
}反编译后代码如下:
public static void main(String args[])
{
int i = 10;
Integer n = Integer.valueOf(i);
}再来看个自动拆箱的代码：
public static void main(String[] args) {
Integer i = 10;
int n = i;
}反编译后代码如下：
public static void main(String args[])
{
Integer i = Integer.valueOf(10);
int n = i.intValue();
}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。
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：
public static void main(String[] args)
{
print("Holis", "公众号:Hollis", "博客：www.hollischuang.com", "QQ：907607222");
}
public static void print(String... strs)
{
for (int i = 0; i < strs.length; i++)
{
System.out.println(strs[i]);
}
}反编译后代码：
public static void main(String args[])
{
print(new String[] {
"Holis", "\u516C\u4F17\u53F7:Hollis", "\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com", "QQ\uFF1A907607222"
});
}
public static transient void print(String strs[])
{
for(int i = 0; i < strs.length; i++)
System.out.println(strs[i]);
}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。
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：
public enum t {
SPRING,SUMMER;
}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：
public final class T extends Enum
{
private T(String s, int i)
{
super(s, i);
}
public static T[] values()
{
T at[];
int i;
T at1[];
System.arraycopy(at = ENUM$VALUES, 0, at1 = new T[i = at.length], 0, i);
return at1;
}
public static T valueOf(String s)
{
return (T)Enum.valueOf(demo/T, s);
}
public static final T SPRING;
public static final T SUMMER;
private static final T ENUM$VALUES[];
static
{
SPRING = new T("SPRING", 0);
SUMMER = new T("SUMMER", 1);
ENUM$VALUES = (new T[] {
SPRING, SUMMER
});
}
}通过反编译后代码我们可以看到，public final class T extends Enum，说明，该类是继承了Enum类的，同时final关键字告诉我们，这个类也是不能被继承的。
当我们使用enum来定义一个枚举类型的时候，编译器会自动帮我们创建一个final类型的类继承Enum类，所以枚举类型不能被继承。
内部类又称为嵌套类，可以把内部类理解为外部类的一个普通成员。
内部类之所以也是语法糖，是因为它仅仅是一个编译时的概念，outer.java里面定义了一个内部类inner，一旦编译成功，就会生成两个完全不同的.class文件了，分别是outer.class和outer$inner.class。所以内部类的名字完全可以和它的外部类名字相同。
public class OutterClass {
private String userName;
public String getUserName() {
return userName;
}
public void setUserName(String userName) {
this.userName = userName;
}
public static void main(String[] args) {
}
class InnerClass{
private String name;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
}以上代码编译后会生成两个 class 文件：OutterClass$InnerClass.class、OutterClass.class 。当我们尝试对OutterClass.class文件进行反编译的时候，命令行会打印以下内容：Parsing OutterClass.class...Parsing inner class OutterClass$InnerClass.class... Generating OutterClass.jad 。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：
public class OutterClass
{
class InnerClass
{
public String getName()
{
return name;
}
public void setName(String name)
{
this.name = name;
}
private String name;
final OutterClass this$0;
InnerClass()
{
this.this$0 = OutterClass.this;
super();
}
}
public OutterClass()
{
}
public String getUserName()
{
return userName;
}
public void setUserName(String userName){
this.userName = userName;
}
public static void main(String args1[])
{
}
private String userName;
}—般情况下，程序中的每一行代码都要参加编译。但有时候出于对程序代码优化的考虑，希望只对其中一部分内容进行编译，此时就需要在程序中加上条件，让编译器只对满足条件的代码进行编译，将不满足条件的代码舍弃，这就是条件编译。
如在 C 或 CPP 中，可以通过预处理语句来实现条件编译。其实在 Java 中也可实现条件编译。我们先来看一段代码：
public class ConditionalCompilation {
public static void main(String[] args) {
final boolean DEBUG = true;
if(DEBUG) {
System.out.println("Hello, DEBUG!");
}
final boolean ONLINE = false;
if(ONLINE){
System.out.println("Hello, ONLINE!");
}
}
}反编译后代码如下：
public class ConditionalCompilation
{
public ConditionalCompilation()
{
}
public static void main(String args[])
{
boolean DEBUG = true;
System.out.println("Hello, DEBUG!");
boolean ONLINE = false;
}
}首先，我们发现，在反编译后的代码中没有System.out.println("Hello, ONLINE!");，这其实就是条件编译。当if(ONLINE)为 false 的时候，编译器就没有对其内的代码进行编译。
所以，Java 语法的条件编译，是通过判断条件为常量的 if 语句实现的。其原理也是 Java 语言的语法糖。根据 if 判断条件的真假，编译器直接把分支为 false 的代码块消除。通过该方式实现的条件编译，必须在方法体内实现，而无法在正整个 Java 类的结构或者类的属性上进行条件编译，这与 C/C++的条件编译相比，确实更有局限性。在 Java 语言设计之初并没有引入条件编译的功能，虽有局限，但是总比没有更强。
在 Java 中，assert关键字是从 JAVA SE 1.4 引入的，为了避免和老版本的 Java 代码中使用了assert关键字导致错误，Java 在执行的时候默认是不启动断言检查的（这个时候，所有的断言语句都将忽略！），如果要开启断言检查，则需要用开关-enableassertions或-ea来开启。
看一段包含断言的代码：
public class AssertTest {
public static void main(String args[]) {
int a = 1;
int b = 1;
assert a == b;
System.out.println("公众号：Hollis");
assert a != b : "Hollis";
System.out.println("博客：www.hollischuang.com");
}
}反编译后代码如下：
public class AssertTest {
public AssertTest()
{
}
public static void main(String args[])
{
int a = 1;
int b = 1;
if(!$assertionsDisabled && a != b)
throw new AssertionError();
System.out.println("\u516C\u4F17\u53F7\uFF1AHollis");
if(!$assertionsDisabled && a == b)
{
throw new AssertionError("Hollis");
} else
{
System.out.println("\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com");
return;
}
}
static final boolean $assertionsDisabled = !com/hollis/suguar/AssertTest.desiredAssertionStatus();
}很明显，反编译之后的代码要比我们自己的代码复杂的多。所以，使用了 assert 这个语法糖我们节省了很多代码。其实断言的底层实现就是 if 语言，如果断言结果为 true，则什么都不做，程序继续执行，如果断言结果为 false，则程序抛出 AssertError 来打断程序的执行。-enableassertions会设置$assertionsDisabled 字段的值。
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：
public class Test {
public static void main(String... args) {
int i = 10_000;
System.out.println(i);
}
}反编译后：
public class Test
{
public static void main(String[] args)
{
int i = 10000;
System.out.println(i);
}
}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。
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？
public static void main(String... args) {
String[] strs = {"Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com"};
for (String s : strs) {
System.out.println(s);
}
List<String> strList = ImmutableList.of("Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
for (String s : strList) {
System.out.println(s);
}
}反编译后代码如下：
public static transient void main(String args[])
{
String strs[] = {
"Hollis", "\u516C\u4F17\u53F7\uFF1AHollis", "\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com"
};
String args1[] = strs;
int i = args1.length;
for(int j = 0; j < i; j++)
{
String s = args1[j];
System.out.println(s);
}
List strList = ImmutableList.of("Hollis", "\u516C\u4F17\u53F7\uFF1AHollis", "\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com");
String s;
for(Iterator iterator = strList.iterator(); iterator.hasNext(); System.out.println(s))
s = (String)iterator.next();
}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。
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：
public static void main(String[] args) {
BufferedReader br = null;
try {
String line;
br = new BufferedReader(new FileReader("d:\\hollischuang.xml"));
while ((line = br.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
} catch (IOException e) {
// handle exception
} finally {
try {
if (br != null) {
br.close();
}
} catch (IOException ex) {
// handle exception
}
}
}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：
public static void main(String... args) {
try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("d:\\ hollischuang.xml"))) {
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
} catch (IOException e) {
// handle exception
}
}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。看下他的背后：
public static transient void main(String args[])
{
BufferedReader br;
Throwable throwable;
br = new BufferedReader(new FileReader("d:\\ hollischuang.xml"));
throwable = null;
String line;
try
{
while((line = br.readLine()) != null)
System.out.println(line);
}
catch(Throwable throwable2)
{
throwable = throwable2;
throw throwable2;
}
if(br != null)
if(throwable != null)
try
{
br.close();
}
catch(Throwable throwable1)
{
throwable.addSuppressed(throwable1);
}
else
br.close();
break MISSING_BLOCK_LABEL_113;
Exception exception;
exception;
if(br != null)
if(throwable != null)
try
{
br.close();
}
catch(Throwable throwable3)
{
throwable.addSuppressed(throwable3);
}
else
br.close();
throw exception;
IOException ioexception;
ioexception;
}
}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。
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。Lambda 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：
public static void main(String... args) {
List<String> strList = ImmutableList.of("Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
strList.forEach( s -> { System.out.println(s); } );
}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:
public static /* varargs */ void main(String ... args) {
ImmutableList strList = ImmutableList.of((Object)"Hollis", (Object)"\u516c\u4f17\u53f7\uff1aHollis", (Object)"\u535a\u5ba2\uff1awww.hollischuang.com");
strList.forEach((Consumer<String>)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)V, lambda$main$0(java.lang.String ), (Ljava/lang/String;)V)());
}
private static /* synthetic */ void lambda$main$0(String s) {
System.out.println(s);
}可以看到，在forEach方法中，其实是调用了java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metafactory方法，该方法的第四个参数 implMethod 指定了方法实现。可以看到这里其实是调用了一个lambda$main$0方法进行了输出。
再来看一个稍微复杂一点的，先对 List 进行过滤，然后再输出：
public static void main(String... args) {
List<String> strList = ImmutableList.of("Hollis", "公众号：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
List HollisList = strList.stream().filter(string -> string.contains("Hollis")).collect(Collectors.toList());
HollisList.forEach( s -> { System.out.println(s); } );
}反编译后代码如下：
public static /* varargs */ void main(String ... args) {
ImmutableList strList = ImmutableList.of((Object)"Hollis", (Object)"\u516c\u4f17\u53f7\uff1aHollis", (Object)"\u535a\u5ba2\uff1awww.hollischuang.com");
List<Object> HollisList = strList.stream().filter((Predicate<String>)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)Z, lambda$main$0(java.lang.String ), (Ljava/lang/String;)Z)()).collect(Collectors.toList());
HollisList.forEach((Consumer<Object>)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)V, lambda$main$1(java.lang.Object ), (Ljava/lang/Object;)V)());
}
private static /* synthetic */ void lambda$main$1(Object s) {
System.out.println(s);
}
private static /* synthetic */ boolean lambda$main$0(String string) {
return string.contains("Hollis");
}两个 lambda 表达式分别调用了lambda$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。
一、当泛型遇到重载
public class GenericTypes {
public static void method(List<String> list) {
System.out.println("invoke method(List<String> list)");
}
public static void method(List<Integer> list) {
System.out.println("invoke method(List<Integer> list)");
}
}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<String>另一个是List<Integer> ，但是，这段代码是编译通不过的。因为我们前面讲过，参数List<Integer>和List<String>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。
二、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
三、当泛型内包含静态变量
public class StaticTest{
public static void main(String[] args){
GT<Integer> gti = new GT<Integer>();
gti.var=1;
GT<String> gts = new GT<String>();
gts.var=2;
System.out.println(gti.var);
}
}
class GT<T>{
public static int var=0;
public void nothing(T x){}
}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。
对象相等比较
public static void main(String[] args) {
Integer a = 1000;
Integer b = 1000;
Integer c = 100;
Integer d = 100;
System.out.println("a == b is " + (a == b));
System.out.println(("c == d is " + (c == d)));
}输出结果：
a == b is false
c == d is true
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。
for (Student stu : students) {
if (stu.getId() == 2)
students.remove(stu);
}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。
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，但是同时也要避过度使用。使用之前最好了解下原理，避免掉坑。