Java8 Lambda和Invokedynamic详情

一、阐明lambda

Java8于2014年3月发布，并引入了lambda表达式作为其旗舰功能。我们可能已经在代码库中使用它们来编写更简洁、更灵活的代码。例如，我们可以将lambda表达式与新的Streams api结合起来，以表达丰富的数据处理查询：

int total = invoices.stream()
                    .filter(inv -> inv.getMonth() == Month.JULY)
                    .mapToInt(Invoice::getAmount)
                    .sum();

此示例显示如何从发票集合中计算7月份到期的总金额。传递lambda表达式以查找月份为7月的发票，并传递方法引用以从发票中提取金额。

您可能想知道Java编译器如何在幕后实现lambda表达式和方法引用，以及Java虚拟机（JVM）如何处理它们。例如，lambda表达式只是匿名内部类的语法糖吗？毕竟，可以通过将lambda表达式的主体复制到匿名类的相应方法的主体中来翻译上面的代码

int total = invoices.stream()
                    .filter(new Predicate<Invoice>() {
                        @Override
                        public boolean test(Invoice inv) {
                            return inv.getMonth() == Month.JULY;
                        }
                    })
                    .mapToInt(new ToIntFunction<Invoice>() {
                        @Override
                        public int applyAsInt(Invoice inv) {
                            return inv.getAmount();
                        }
                    })
                    .sum();

本文将解释为什么Java编译器不遵循这种机制，并将阐明lambda表达式和方法引用是如何实现的。我们将研究字节码生成，并在实验室中简要分析lambda性能。最后，我们将讨论现实世界中的性能影响。

二、匿名内部类

匿名内部类具有可能影响应用程序性能的不良特征。

首先，编译器为每个匿名内部类生成一个新的类文件。文件名通常看起来像ClassName$1，其中ClassName是定义匿名内部类的类的名称，后跟一个美元符号和一个数字。生成许多类文件是不可取的，因为每个类文件在使用之前都需要加载和验证，这会影响应用程序的启动性能。加载可能是一项昂贵的操作，包括磁盘I/O和解压缩jar文件本身。

如果将lambda转换为匿名内部类，则每个lambda都会有一个新的类文件。由于每个匿名内部类都将被加载，因此它将占用JVM元空间的空间（这是永久生成的Java8替代品）。如果JVM将每个匿名内部类中的代码编译成机器代码，那么它将存储在代码缓存中。此外，这些匿名内部类将被实例化为单独的对象。因此，匿名内部类会增加应用程序的内存消耗。引入缓存机制以减少所有这些内存开销可能会有所帮助，这促使引入某种抽象层。

最重要的是，从第一天起选择使用匿名内部类实现lambda将限制未来lambda实现更改的范围，以及它们根据未来JVM改进而发展的能力。

让我们看一下以下代码：

import java.util.function.Function;
public class AnonymousClassExample {
    Function<String, String> fORMat = new Function<String, String>() {
        public String apply(String input){
            return Character.toUpperCase(input.charAt(0)) + input.substring(1);
        }
    };
}

我们可以使用命令检查为任何类文件生成的字节码

javap -c -v ClassName 

为作为匿名内部类创建的函数生成的相应字节码如下所示：

0: aload_0       
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0       
5: new           #2 // class AnonymousClassExample$1
8: dup           
9: aload_0       
10: invokespecial #3 // Method AnonymousClass$1."<init>":(LAnonymousClassExample;)V
13: putfield      #4 // Field format:Ljava/util/function/Function;
16: return  

此代码显示以下内容：

• 5：使用字节码操作new实例化匿名类示例$1类型的对象。同时在堆栈上推送对新创建对象的引用。
• 8：dup操作在堆栈上复制该引用。
• 10：然后，该值由invokespecial指令使用，该指令初始化匿名内部类实例。
• 13：堆栈顶部现在仍然包含对对象的引用，该引用使用putfield指令存储在AnonymousClassExample类的format字段中。
  

AnonymousClassExample$1是编译器为匿名内部类生成的名称。如果您想让自己放心，还可以检查AnonymousClassExample$1类文件，您将找到函数接口实现的代码。

将lambda表达式转换为匿名内部类将限制未来可能的优化（例如缓存），因为它们与匿名内部类字节码生成机制相关联。因此，语言和JVM工程师需要一个稳定的二进制表示，该表示提供了足够的信息，同时允许JVM在将来使用其他可能的实现策略。下一节将解释这是如何实现的！

三、Lambdas和Invokedynamic

为了解决上一节中解释的问题，Java语言和JVM工程师决定将转换策略的选择推迟到运行时。Java7引入的新invokedynamic字节码指令为他们提供了一种高效实现这一点的机制。lambda表达式到字节码的转换分两步执行：

1. 生成一个invokedynamic调用站点（称为lambda工厂），调用该站点时，该站点返回lambda正在转换到的功能接口的实例；
2. 将lambda表达式体转换为将通过invokedynamic指令调用的方法。

为了说明第一步，让我们检查编译包含lambda表达式的简单类时生成的字节码，例如：

import java.util.function.Function;

public class Lambda {
    Function<String, Integer> f = s -> Integer.parseInt(s);
}

这将转换为以下字节码：

0: aload_0
 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
 4: aload_0
 5: invokedynamic #2, 0 // InvokeDynamic
                  #0:apply:()Ljava/util/function/Function;
10: putfield #3 // Field f:Ljava/util/function/Function;
13: return

请注意，方法引用的编译方式略有不同，因为javac不需要生成合成方法，可以直接引用该方法。

第二步的执行方式取决于lambda表达式是非捕获（lambda不访问在其主体外部定义的任何变量）还是捕获（lambda访问在其主体外部定义的变量）。

非捕获lambda被简单地分解为一个静态方法，该方法具有与lambda表达式完全相同的签名，并在使用lambda表达式的同一类中声明。例如，可以将上面lambda类中声明的lambda表达式分解为如下方法：

static Integer lambda$1(String s) {
    return Integer.parseInt(s);
}

注意：$1不是一个内部类，它只是我们表示编译器生成代码的方式

捕获lambda表达式的情况稍微复杂一些，因为捕获的变量必须与lambda的形式参数一起传递给实现lambda表达式主体的方法。在这种情况下，常见的转换策略是在lambda表达式的参数前面加上每个捕获变量的附加参数。让我们看一个实际的例子：

int offset = 100;
Function<String, Integer> f = s -> Integer.parseInt(s) + offset; 

相应的方法实现可以通过asy生成：

static Integer lambda$1(int offset, String s) {
    return Integer.parseInt(s) + offset;
}

然而，这种转换策略并不是一成不变的，因为invokedynamic指令的使用使编译器能够灵活地在将来选择不同的实现策略。例如，捕获的值可以装箱到数组中，或者，如果lambda表达式读取使用它的类的某些字段，则生成的方法可以是实例方法，而不是声明为静态的，从而避免将这些字段作为附加参数传递。

四、性能表现

这种方法的主要优点是性能特性。如果把它们看作是可以简化为一个数字，那就太好了，但实际上这里涉及到多个操作。

第一步是联动步骤，与上述lambda工厂步骤相对应。如果我们将性能与匿名内部类进行比较，那么等效的操作将是匿名内部类的类加载。oracle已经发布了Sergey Kuksenko对这一权衡的性能分析，您可以看到Kuksenko在2013年JVM语言峰会上就这一主题发表了演讲[3]。分析表明，需要时间来预热lambda工厂方法，在此过程中，初始速度较慢。当有足够多的调用站点链接时，如果代码位于热路径上（即调用频率足以编译JIT的路径），则性能与类加载一致。另一方面，如果是冷路径，lambda工厂方法可以快100倍。

第二步是从周围范围捕获变量。正如我们已经提到的，如果没有要捕获的变量，那么可以自动优化此步骤，以避免使用基于lambda工厂的实现分配新对象。在匿名内部类方法中，我们将实例化一个新对象。为了优化等效情况，您必须通过创建单个对象并将其提升到静态字段来手动优化代码。例如：

// Hoisted Function
public static final Function<String, Integer> parseInt = new Function<String, Integer>() {
    public Integer apply(String arg) {
        return Integer.parseInt(arg);
    }
}; 

// Usage:
int result = parseInt.apply(“123”);

第三步是调用实际方法。目前，匿名内部类和lambda表达式都执行完全相同的操作，因此这里的性能没有差异。非捕获lambda表达式的开箱即用性能已经领先于提升的匿名内部类。捕获lambda表达式的实现与分配匿名内部类以捕获这些字段的性能类似。

我们在本节中看到，lambda表达式的实现大体上表现良好。虽然匿名内部类需要手动优化以避免分配，但JVM已经为我们优化了最常见的情况（一个不捕获其参数的lambda表达式）。

当然，理解整体性能模型是很好的，但是在实践中，事情是如何叠加的呢？我们已经在一些软件项目中使用了Java8，并取得了积极的成果。自动优化非捕获lambda可以提供很好的好处。这里有一个特别的例子，它提出了一些关于未来优化方向的有趣问题。

所讨论的示例发生在处理某些代码以供系统使用时，该系统需要特别低的GC暂停，理想情况下没有。因此，希望避免分配太多的对象。该项目广泛使用lambdas来实现回调处理程序。不幸的是，我们仍然有相当多的回调，其中我们没有捕获局部变量，但希望引用当前类的字段，甚至只调用当前类上的方法。目前，这似乎仍然需要分配。下面是一个代码示例，旨在阐明我们所讨论的内容：

public MessageProcessor() {} 

public int proceSSMessages() {
    return queue.read(obj -> {
        if (obj instanceof NewClient) {
            this.processNewClient((NewClient) obj);
        } 
        ...
    });
}

这个问题有一个简单的解决办法。我们将代码提升到构造函数中，并将其分配给一个字段，然后在调用站点直接引用该字段。下面是我们之前重写的代码示例：

private final Consumer<Msg> handler; 

public MessageProcessor() {
    handler = obj -> {
        if (obj instanceof NewClient) {
            this.processNewClient((NewClient) obj);
        }
        ...
    };
} 

public int processMessages() {
    return queue.read(handler);
}

在所讨论的项目中，这是一个严重的问题：内存分析显示，此模式负责前八个对象分配站点中的六个，以及应用程序总分配的60%以上。

与任何潜在的优化一样，无论环境如何，应用这种方法都可能会带来其他问题。

您选择编写非惯用代码纯粹是出于性能原因。因此有一个可读性权衡

这也关系到分配的权衡。您正在向MessageProcessor添加一个字段，使其更大，以便分配。相关lambda的创建和捕获也会减慢对MessageProcessor的构造函数调用。

我们不是通过寻找场景，而是通过内存分析发现了这种情况，并且有一个很好的业务用例证明了优化的合理性。我们还处于这样一个位置：对象只分配一次，大量重用lambda表达式，因此缓存非常有益。与任何性能调整练习一样，通常推荐使用科学方法。

这也是任何其他最终用户寻求优化其lambda表达式使用的方法。尝试编写干净、简单且功能强大的代码始终是最好的第一步。任何优化，如本次吊装，应仅针对真正的问题进行。编写捕获分配对象的lambda表达式本身并不坏——正如编写调用'new Foo（）'的Java代码本身也不坏一样。

这一经验也确实表明，要充分利用lambda表达式，重要的是要习惯地使用它们。如果lambda表达式用于表示小的纯函数，则它们几乎不需要从其周围范围捕获任何内容。和大多数事情一样，如果你保持简单，事情就会表现得很好。

结论
在本文中，我们解释了lambda不仅仅是隐藏的匿名内部类，以及为什么匿名内部类不是lambda表达式的合适实现方法。通过lambda表达式实现方法，已经进行了大量的工作。目前，对于大多数任务，它们都比匿名内部类快，但当前的状态并不完美；测量驱动的手动优化仍有一定的空间。

Java8中使用的方法不仅仅局限于Java本身。Scala历来通过生成匿名内部类来实现其lambda表达式。在Scala2.12中，我们已经开始使用Java8中引入的lambda元工厂机制。随着时间的推移，JVM上的其他语言也可能采用这种机制。

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