51工具盒子大家好，函数式接口的应用篇已经给大家讲完，今天，指北君和大家一同深入探索Java实现函数式接口的原理。本篇将从编译，执行层面为大家讲解函数式接口运行的机制，让各位小伙伴更进一步加深对函数式接口的理解。
概述 {#概述}
函数式接口包含三部分内容：
- （应用篇一）（1）函数式接口的来源，（2）Lambda表达式，（3）双冒号运算符
- （应用篇二）（4）详细介绍@FunctionInterface注解（5）对java.util.function包进行解读
- （原理篇）介绍函数式接口的实现原理 在看本篇之前，请大家对应先看应用篇一和应用篇二，本篇作为原理篇，将为大家较为深入的剖析函数式接口如何编译，JVM又是如何关联衔接各个部分的。
说明：源码使用的版本为JDK-11.0.11
编译 {#编译}
首先我们从编译出发，因为无论是接口还是类，都需要经过编译，然后在运行期由JVM执行调用，现在我们来看看几个关键位置的编译结果。 先来看函数式接口编译
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| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 | Classfile /O:/SCM/ws-java/sample-lambda/bin/com/tree/sample/func/IFuncInterfaceSample.class Last modified 2021-6-4; size 238 bytes MD5 checksum 58a3c8c5cbe9c7498e86d4a349554ae0 Compiled from "IFuncInterfaceSample.java" public interface com.tree.sample.func.IFuncInterfaceSample minor version: 0 major version: 55 flags: ACC_PUBLIC, ACC_INTERFACE, ACC_ABSTRACT Constant pool: #1 = Class #2 // com/tree/sample/func/IFuncInterfaceSample #2 = Utf8 com/tree/sample/func/IFuncInterfaceSample #3 = Class #4 // java/lang/Object #4 = Utf8 java/lang/Object #5 = Utf8 func1 #6 = Utf8 ()V #7 = Utf8 SourceFile #8 = Utf8 IFuncInterfaceSample.java #9 = Utf8 RuntimeVisibleAnnotations #10 = Utf8 Ljava/lang/FunctionalInterface; { public abstract void func1(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC, ACC_ABSTRACT } SourceFile: "IFuncInterfaceSample.java" RuntimeVisibleAnnotations: 0: #10() |
接口的编译信息中没有任何额外的工作，如果显示声明了FunctionInterface注解，则编译信息中带有，反之则无。
接下来，我们着重来看应用部分的代码编译的情况，先看应用部分的源代码：
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这段源码中选取了几种典型的场景进行组合，让大家了解更多的扩展知识，因此代码稍显长。
- invokeLambda() 单个参数的lambda表达式，省略参数括号和表达式主体的花括号。
- invokeEta() eta方式的方法引用。
- invokeLambda2() 两个参数的lambda表达式，lambda中使用成员变量。
lambda表达式的编译 {#lambda表达式的编译}
指北君和大家一起看看编译后的内容，使用命令查看编译后的方法结构(javap -p com.tree.sample.func.LambdaBinaryCode）
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| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | Compiled from "LambdaBinaryCode.java" public class com.tree.sample.func.LambdaBinaryCode { private int lambdaVar; public com.tree.sample.func.LambdaBinaryCode(); public static void main(java.lang.String[]); public void invokeLambda(); public void invokeEta(); public void invokeLambda2(); private static void lambda$0(java.lang.Integer); private void lambda$2(java.lang.Integer, java.lang.Integer); } |
小伙伴有没发现，class文件中比源码文件中多出了两个方法：lambda$0，lambda$2。这两个方法分别对应invokeLambda和invokeLambda2中的的lambda表达式。
我们在javap命令中增加-v参数，可以查看到增加的lambda$0方法的更多细节，不熟悉JVM指令的小伙伴也不用担心，我们只是验证lambda$0就是invokeLambda中lambda表达式对应"x -> System.out.println(String.format("Cents into Yuan: %.2f", x/100.0))"。
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从编译信息中我们可以看到几条明显相同的逻辑：
- LocalVariableTable 首先包含了函数的输入参数，并且一致
- 24行执行String.format方法
- 27行执行PrintStream.println方法 从上面三个关键部分我们可以确定就是invokeLambda方法中的lambda表达式编译后的内容了。
仔细的小伙伴比较lambda$0，lambda$2两个方法后，可能会发现两个问题：第一，两个方法怎么一个是static一个是非static的呢？。第二，方法命名中的数字为什么不是数字连续的？ 对于第一个问题，比较invokeLambda和invokeLambda2的源码，小伙伴发现有什么不同么？是否可以看到invokeLambda2中的lambda表达式引用了成员属性lambdaVar。这就是lambda生成方法的一种逻辑，未使用成员变量的lambda表达式编译成静态方法，使用了成员变量的lambda语句则编译为成员方法。
第二个问题我们将留待后面回答。
Lambda调用 {#lambda调用}
上面我们看到了lambda表达式的代码编译成了一个独立方法，指北君继续带领大家查看编译后的文件，我们要了解编译后lambda方法是如何调用执行的。 查看invokeLambda方法的编译后的内容（直贴出了关键部分）：
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| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | public void invokeLambda(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=4, locals=4, args_size=1 ... ... 32: istore_3 33: aload_2 34: invokedynamic #45, 0 // InvokeDynamic #0:accept:()Ljava/util/function/Consumer; 39: invokeinterface #49, 2 // InterfaceMethod java/util/List.forEach:(Ljava/util/function/Consumer;) ... ... |
在invokeLambda中有一个指令invokedynamic，熟悉动态语言的小伙伴可能知道，这个指令是Java7为支持动态脚本语言而增加的。而函数式Java调用函数接口也正是通过invokedynamic指令来实现的。invokeLambda的详细内容指北君后续单独为大家讲解，今天我们关注函数接口的调用过程。
使用invokeLambda指令，那么该指令是直接调用的lambda$0方法么？我们知道list.forEach(xx)调用中，我们是将函数接口作为参数传递到其他类的函数中进行执行的。Java需要解决两个问题：1）如何将方法传递给被调用的外部类的方法，2）外部的内和方法如何访问我们内部私有的方法。
引导方法表 {#引导方法表}
为解决上面两个问题，我们继续查编译后的文件，在末尾，我们看到下面的部分：
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| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | BootstrapMethods: 0: #146 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$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: #148 (Ljava/lang/Object;)V #151 invokestatic com/tree/sample/func/LambdaBinaryCode.lambda$0:(Ljava/lang/Integer;)V #152 (Ljava/lang/Integer;)V 1: #146 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$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: #153 (Ljava/lang/Object;)V #156 invokevirtual java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V #157 (Ljava/lang/Integer;)V 2: #146 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: #159 (Ljava/lang/Object;Ljava/lang/Object;)V #162 invokespecial com/tree/sample/func/LambdaBinaryCode.lambda$2:(Ljava/lang/Integer;Ljava/lang/Integer;)V #163 (Ljava/lang/Integer;Ljava/lang/Integer;)V InnerClasses: public static final #169= #165 of #167; //Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles |
这生成了三个引导方法，刚好和我们的三个函数接口调用一致，从引导方法的参数我们看出
| 序号 | 调用 | 调用类型 | |----|---------------------|---------| | 0 | lambda$0 | static | | 1 | PrintStream.println | vertual | | 2 | lambda$2 | special |
顺便回答一下之前的方法名称的数字序号不连续问题，我们看出，方法名称的序号是根据引导方法的序号来确定的，不是根据生成的lambda表达式方法序号来的。 我们看到，引导方法的逻辑似乎就是调用lambda方法或者其他的函数接口，每个引导方法中都出现了LambdaMetafactory.metafactory方法
动态调用 {#动态调用}
现在，我们结合invokedynamic指令来说明BootstrapMethods执行的过程
上面的的流程显示了动态调用的基本逻辑
- 执行invokedynamic
检查调用点是否已连接可用 {#检查调用点是否已连接可用}
- 如果未连接，构建动态调用点
- 执行引导方法
- 生成并加载调用点对应的动态内部类
连接 {#连接}
- 调用动态内部类方法
- 内部类调用lambda对应的方法并执行
这两个阶段我们通过调用堆栈也能明显观察到：
我们还可以通过设置VM参数-Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses，查看以引导阶段动态生成的内部类：
打开其中一个如下：
小结 {#小结}
动态函数接口的调用原理，指北君就给大家介绍到这里了，相信大家看完本篇内容后，对函数式接口有了更深一层的学习。 由于涉及的内容较多，没有时间给大家逐一详细的给每个涉及到的类进行解读。后续指北君会根据小伙伴们需要对今天提及的知识点做深入的阶段，比如invokeddynamic指令，class结构，动态调用相关的各部分代码逻辑。
