Jak dobrze pamiętamy, największym osiągnięciem w Javie 8 było wprowadzenie wyrażeń lambda. W tym poście skupię się na tym czym one technicznie są oraz jak one działają.
Pierwsze spostrzeżenia
Jeśli spojrzeć w przeszłość, to przed Javą 8 wyrażenia lambda były emulowane wewnętrznymi klasami anonimowymi. Przykładowo w dla wcześniejszych wersji Javy dla przetwarzania funkcyjnego stworzono klasę Iterables. A w niej zalecanym podejściem było tworzenie anonimowych klas wewnętrznych implementujące interfejsy z jedną metoda. Jakkolwiek było to dość toporne rozwiązanie trzeba było tworzyć dużo zbędnego kodu…
Czy może zatem lambda jest zwykłą wewnętrzna klasa anonimową? Wskazywałby na to również stacktrace zrobiony wewnątrz lambdy w którym widać charakterystyczny dla klas anonimowych znak $, a po nim numer klasy.
public class LambdaExperiment {
public static void main(String[] args) {
Function lambda = s -> { throw new RuntimeException(s); };
lambda.apply("String");
}
}
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: String
at dev.jgardo.jvm.miscellaneous.lambda.LambdaExperiment.lambda$main$0(LambdaExperiment.java:7)
at dev.jgardo.jvm.miscellaneous.lambda.LambdaExperiment.main(LambdaExperiment.java:8)
I teoria ta miałaby szanse, gdyby nie to, że wśród skompilowanych plików .class nie ma żadnych dodatkowych klas, a każda klasa anonimowa tworzy osobny plik o sufiksie $
Gdzie zatem jest ta lambda?
Cóż… trzeba zajrzeć do kodu bajtowego, może tam coś znajdziemy…
Last modified 27 wrz 2019; size 1461 bytes
MD5 checksum f165faff2e94d85a93129e64e8cd7403
Compiled from "LambdaExperiment.java"
public class dev.jgardo.jvm.miscellaneous.lambda.LambdaExperiment
minor version: 0
major version: 55
flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
this_class: #6 // dev/jgardo/jvm/miscellaneous/lambda/LambdaExperiment
super_class: #7 // java/lang/Object
interfaces: 0, fields: 0, methods: 3, attributes: 3
Constant pool:
#1 = Methodref #7.#29 // java/lang/Object."":()V
#2 = InvokeDynamic #0:#35 // #0:apply:()Ljava/util/function/Function;
#3 = String #36 // String
#4 = InterfaceMethodref #37.#38 // java/util/function/Function.apply:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
#5 = Methodref #39.#40 // java/lang/String.toUpperCase:()Ljava/lang/String;
#6 = Class #41 // dev/jgardo/jvm/miscellaneous/lambda/LambdaExperiment
#7 = Class #42 // java/lang/Object
#8 = Utf8
#9 = Utf8 ()V
#10 = Utf8 Code
#11 = Utf8 LineNumberTable
#12 = Utf8 LocalVariableTable
#13 = Utf8 this
#14 = Utf8 Ldev/jgardo/jvm/miscellaneous/lambda/LambdaExperiment;
#15 = Utf8 main
#16 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#17 = Utf8 args
#18 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#19 = Utf8 lambda
#20 = Utf8 Ljava/util/function/Function;
#21 = Utf8 LocalVariableTypeTable
#22 = Utf8 Ljava/util/function/Function;
#23 = Utf8 lambda$main$0
#24 = Utf8 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
#25 = Utf8 s
#26 = Utf8 Ljava/lang/String;
#27 = Utf8 SourceFile
#28 = Utf8 LambdaExperiment.java
#29 = NameAndType #8:#9 // "":()V
#30 = Utf8 BootstrapMethods
#31 = MethodHandle 6:#43 // REF_invokeStatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#32 = MethodType #44 // (Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
#33 = MethodHandle 6:#45 // REF_invokeStatic dev/jgardo/jvm/miscellaneous/lambda/LambdaExperiment.lambda$main$0:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
#34 = MethodType #24 // (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
#35 = NameAndType #46:#47 // apply:()Ljava/util/function/Function;
#36 = Utf8 String
#37 = Class #48 // java/util/function/Function
#38 = NameAndType #46:#44 // apply:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
#39 = Class #49 // java/lang/String
#40 = NameAndType #50:#51 // toUpperCase:()Ljava/lang/String;
#41 = Utf8 dev/jgardo/jvm/miscellaneous/lambda/LambdaExperiment
#42 = Utf8 java/lang/Object
#43 = Methodref #52.#53 // java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#44 = Utf8 (Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
#45 = Methodref #6.#54 // dev/jgardo/jvm/miscellaneous/lambda/LambdaExperiment.lambda$main$0:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
#46 = Utf8 apply
#47 = Utf8 ()Ljava/util/function/Function;
#48 = Utf8 java/util/function/Function
#49 = Utf8 java/lang/String
#50 = Utf8 toUpperCase
#51 = Utf8 ()Ljava/lang/String;
#52 = Class #55 // java/lang/invoke/LambdaMetafactory
#53 = NameAndType #56:#60 // metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#54 = NameAndType #23:#24 // lambda$main$0:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
#55 = Utf8 java/lang/invoke/LambdaMetafactory
#56 = Utf8 metafactory
#57 = Class #62 // java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
#58 = Utf8 Lookup
#59 = Utf8 InnerClasses
#60 = Utf8 (Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#61 = Class #63 // java/lang/invoke/MethodHandles
#62 = Utf8 java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
#63 = Utf8 java/lang/invoke/MethodHandles
{
public dev.jgardo.jvm.miscellaneous.lambda.LambdaExperiment();
descriptor: ()V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return
LineNumberTable:
line 5: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Ldev/jgardo/jvm/miscellaneous/lambda/LambdaExperiment;
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: invokedynamic #2, 0 // InvokeDynamic #0:apply:()Ljava/util/function/Function;
5: astore_1
6: aload_1
7: ldc #3 // String String
9: invokeinterface #4, 2 // InterfaceMethod java/util/function/Function.apply:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
14: pop
15: return
LineNumberTable:
line 7: 0
line 8: 6
line 9: 15
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 16 0 args [Ljava/lang/String;
6 10 1 lambda Ljava/util/function/Function;
LocalVariableTypeTable:
Start Length Slot Name Signature
6 10 1 lambda Ljava/util/function/Function;
private static java.lang.String lambda$main$0(java.lang.String);
descriptor: (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
flags: (0x100a) ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_SYNTHETIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokevirtual #5 // Method java/lang/String.toUpperCase:()Ljava/lang/String;
4: areturn
LineNumberTable:
line 7: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 s Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "LambdaExperiment.java"
InnerClasses:
public static final #58= #57 of #61; // Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles
BootstrapMethods:
0: #31 REF_invokeStatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
Method arguments:
#32 (Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
#33 REF_invokeStatic dev/jgardo/jvm/miscellaneous/lambda/LambdaExperiment.lambda$main$0:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
#34 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
W listingu javap -p -v znaleźliśmy ciało wyrażenia lambda w osobnej, wygenerowanej metodzie o nazwie lambda$main$0 (linia 114), które przyjmuje takie same argumenty jak nasza poszukiwana lambda oraz posiada nazwę, którą widzieliśmy w stacktrace. Jest tam również pewna rzadka instrukcja invokedynamic wprowadzona w Javie 7 (linia 95).
Wciąż jednak nie mamy tej wewnętrznej klasy anonimowej…
Teoria
W projekcie Lambda, twórcy Javy stwierdzili, że jest wiele możliwości implementacji lambd, a każda ma zalety i wady (anonimowa klasa wewnętrzna, dynamiczne proxy, MethodHandle). Nie chcieli się wiązać z żadną implementacją, żeby mieć w przyszłości ewentualną swobodę zmiany koncepcji. Dlatego też stwierdzili, dostarczeniem odpowiedniej implementacji lambdy zajmie się JVM w czasie wykonywania.
Implementacja lambd używa mechanizmu wprowadzonego w poprzedniej wersji Javy – wersji 7 – invokedynamic.
Gdy JVM po raz pierwszy dojdzie do danej instrukcji invokedynamic musi „dowiedzieć się” jaką metodę ma wykonać (w przeciwieństwie do pozostałych instrukcji bytecode z rodziny invoke, na etapie kompilacji nie znamy docelowej wywoływanej metody; znamy tylko metodę, która wskaże co trzeba robić). W przypadku definiowania lambdy, aby się tego dowiedzieć, wywoływana jest metoda java.lang.invoke.LambdaMetafactory.metafactory (linia 132 listingu). W parametrach przekazywane są m. in. uchwyt do wygenerowanej na etapie kompilacji metody tworzącej treść lambdy, jej sygnatura, sygnatura metody interfejsu funkcyjnego, którego implementacji szukamy. Metoda generuje docelową klasę z lambdą, ładuje ją oraz zwraca „fabrykę” obiektów tej klasy.
Po stworzeniu fabryki jest ona przypisywana do danej instrukcji invokedynamic.
Raz stworzona i związana z daną instrukcją invokedynamic fabryka jest następnie używana do uzyskania obiektu implementującego interfejs funkcyjny (lambdę).
Takie podejście ma swoje zalety:– nie wiążemy się z implementacją wyrażeń lambd (ewentualnie można je zmienić)– mniejszy rozmiar bytecode’u pozbawionego klas wewnętrznych oraz mniejsza ilość osobnych plików d0 załadowania– brak możliwości ingerowania w kod lambd – nikt nie będzie grzebał w bytecodzie, którego nie ma 😉
– możliwość cache’owania bezstanowych lambd – nie trzeba zawsze tworzyć nowych obiektów.