死磕Java内部类（一篇就够）

时间  2019-12-05
标签 java 部类 一篇 栏目 Java 繁體版
原文   原文链接

Java内部类，相信你们都用过，可是多数同窗可能对它了解的并不深刻，只是靠记忆来完成平常工做，却不能融会贯通，遇到奇葩问题更是难以有思路去解决。这篇文章带你们一块儿死磕Java内部类的方方面面。 友情提示：这篇文章的讨论基于JDK版本 1.8.0_191java

开篇问题

我一直以为技术是工具，是必定要落地的，要切实解决某些问题的，因此咱们经过先抛出问题，而后解决这些问题，在这个过程当中来加深理解，最容易有收获。 so，先抛出几个问题。（若是这些问题你早已思考过，答案也了然于胸，那恭喜你，这篇文章能够关掉了）。程序员

  • 为何须要内部类？
  • 为何内部类（包括匿名内部类、局部内部类），会持有外部类的引用？
  • 为何匿名内部类使用到外部类方法中的局部变量时须要是final类型的？
  • 如何建立内部类实例，如何继承内部类？
  • Lambda表达式是如何实现的？

为何须要内部类?

要回答这个问题，先要弄明白什么是内部类？咱们知道Java有三种类型的内部类安全

普通的内部类

public class Demo {

    // 普通内部类
    public class DemoRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
        }
    }
}
复制代码

匿名内部类

public class Demo {

    // 匿名内部类
    private Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {

        }
    };
}
复制代码

方法内局部内部类

public class Demo {

    // 局部内部类
    public void work() {
        class InnerRunnable implements Runnable {
            @Override
            public void run() {

            }
        }
        InnerRunnable runnable = new InnerRunnable();
    }

}
复制代码

这三种形式的内部类，你们确定都用过，可是技术在设计之初确定也是要用来解决某个问题或者某个痛点，那能够想一想内部类相对比外部定义类有什么优点呢？ 咱们经过一个小例子来作说明bash

public class Worker {
    private List<Job> mJobList = new ArrayList<>();

    public void addJob(Runnable task) {
        mJobList.add(new Job(task));
    }

    private class Job implements Runnable {
        Runnable task;
        public  Job(Runnable task) {
            this.task = task;
        }

        @Override
        public void run() {
            runnable.run();
            System.out.println("left job size : " + mJobList.size());
        }
    }
}
复制代码

定义了一个Worker类，暴露了一个addJob方法，一个参数task，类型是Runnable，而后定义 了一个内部类Job类对task进行了一层封装，这里Job是私有的，因此外界是感知不到Job的存在的，因此有了内部类第一个优点。ide

  • 内部类可以更好的封装，内聚，屏蔽细节

咱们在Job的run方法中，打印了外部Worker的mJobList列表中剩余Job数量，代码这样写没问题，可是细想，内部类是如何拿到外部类的成员变量的呢？这里先卖个关子，可是已经能够先得出内部类的第二个优点了。工具

  • 内部类自然有访问外部类成员变量的能力

内部类主要就是上面的二个优点。固然还有一些其余的小优势，好比能够用来实现多重继承，能够将逻辑内聚在一个类方便维护等，这些见仁见智，先不去说它们。测试

咱们接着看第二个问题！！！优化

为何内部类（包括匿名内部类、局部内部类），会持有外部类的引用？

问这个问题，显得我是个杠精，您先别着急，其实我想问的是，内部类Java是怎么实现的。 咱们仍是举例说明，先以普通的内部类为例ui

普通内部类的实现

public class Demo {
    // 普通内部类
    public class DemoRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
        }
    }
}
复制代码

切到Demo.java所在文件夹，命令行执行 javac Demo.java，在Demo类同目录下能够看到生成了二个class文件 this

普通内部类生成class.png

Demo.class很好理解，另外一个 类

Demo$DemoRunnable.class
复制代码

就是咱们的内部类编译出来的，它的命名也是有规律的，外部类名Demo+$+内部类名DemoRunnable。 查看反编译后的代码（IntelliJ IDEA自己就支持，直接查看class文件便可）

package inner;

public class Demo$DemoRunnable implements Runnable {
    public Demo$DemoRunnable(Demo var1) {
        this.this$0 = var1;
    }

    public void run() {
    }
}
复制代码

生成的类只有一个构造器，参数就是Demo类型，并且保存到内部类自己的this$0字段中。到这里咱们其实已经能够想到，内部类持有的外部类引用就是经过这个构造器传递进来的，它是一个强引用。

验证咱们的想法

怎么验证呢？咱们须要在Demo.class类中加一个方法，来实例化这个DemoRunnable内部类对象

// Demo.java
    public void run() {
        DemoRunnable demoRunnable = new DemoRunnable();
        demoRunnable.run();
    }
复制代码

再次执行 javac Demo.java，再执行javap -verbose Demo.class，查看Demo类的字节码，前方高能，须要一些字节码知识，这里咱们重点关注run方法（插一句题外话，字节码简单的要能看懂，-。-）

public void run();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=2, args_size=1
         0: new           #2 // class inner/Demo$DemoRunnable
         3: dup
         4: aload_0
         5: invokespecial #3 // Method inner/Demo$DemoRunnable."<init>":(Linner/Demo;)V
         8: astore_1
         9: aload_1
        10: invokevirtual #4 // Method inner/Demo$DemoRunnable.run:()V
        13: return

复制代码
  • 先经过new指令，新建了一个Demo$DemoRunnable对象
  • aload_0指令将外部类Demo对象自身加载到栈帧中
  • 调用Demo$DemoRunnable类的init方法，注意这里将Demo对象做为了参数传递进来了

到这一步其实已经很清楚了，就是将外部类对象自身做为参数传递给了内部类构造器，与咱们上面的猜测一致。

匿名内部类的实现

public class Demo {
    // 匿名内部类
    private Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {

        }
    };
}
复制代码

一样执行javac Demo.java，此次多生成了一个Demo$1.class，反编译查看代码

package inner;

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1) {
        this.this$0 = var1;
    }

    public void run() {
    }
}
复制代码

能够看到匿名内部类和普通内部类实现基本一致，只是编译器自动给它拼了个名字，因此匿名内部类不能自定义构造器，由于名字编译完成后才能肯定。 方法局部内部类，我这里就不赘述了，原理都是同样的，你们能够自行试验。 这样咱们算是解答了第二个问题，来看第三个问题。

为何匿名内部类使用到外部类方法中的局部变量时须要是final类型的？

这里先申明一下，这个问题自己是有问题的，问题在哪呢？由于java8中并不必定须要声明为final。咱们来看个例子

// Demo.java
    public void run() {
        int age = 10;
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
            }
        };
    }
复制代码

匿名内部类对象runnable，使用了外部类方法中的age局部变量。编译运行彻底没问题，而age并无final修饰啊！ 那咱们再在run方法中，尝试修改age试试

public void run() {
        int age = 10;
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
                age = 20;   // error
            }
        };
    }
复制代码

编译器报错了，提示信息是”age is access from inner class, need to be final or effectively final“。很显然编译器很智能，因为咱们第一个例子并无修改age的值，因此编译器认为这是effectively final，是安全的，能够编译经过，而第二个例子尝试修改age的值，编译器立马就报错了。

外部类变量是怎么传递给内部类的？

这里对于变量的类型分三种状况分别来讲明

非final局部变量

咱们去掉尝试修改age的代码，而后执行javac Demo.java，查看Demo$1.class的实现代码

package inner;

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1, int var2) {
        this.this$0 = var1;
        this.val$age = var2;
    }

    public void run() {
        int var1 = this.val$age + 1;
        System.out.println(var1);
    }
}
复制代码

能够看到对于非final局部变量，是经过构造器的方式传递进来的。

final局部变量

age修改成final

public void run() {
        final int age = 10;
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
            }
        };
    }
复制代码

一样执行javac Demo.java，查看Demo$1.class的实现代码

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1) {
        this.this$0 = var1;
    }

    public void run() {
        byte var1 = 11;
        System.out.println(var1);
    }
}
复制代码

能够看到编译器很聪明的作了优化，age是final的，因此在编译期间是肯定的，直接将+1优化为11。 为了测试编译器的智商，咱们把age的赋值修改一下，改成运行时才能肯定的，看编译器如何应对

public void run() {
        final int age = (int) System.currentTimeMillis();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
            }
        };
    }
复制代码

再看Demo$1 字节码实现

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1, int var2) {
        this.this$0 = var1;
        this.val$age = var2;
    }

    public void run() {
        int var1 = this.val$age + 1;
        System.out.println(var1);
    }
}
复制代码

编译器意识到编译期age的值不能肯定，因此仍是采用构造器传参的形式实现。现代编译器仍是很机智的。

外部类成员变量

将age改成Demo的成员变量，注意没有加任何修饰符，是包级访问级别。

public class Demo {
    int age = 10;
    public void run() {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
                age = 20;
            }
        };
    }
}
复制代码

javac Demo.java，查看匿名内部内的实现

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1) {
        this.this$0 = var1;
    }

    public void run() {
        int var1 = this.this$0.age + 1;
        System.out.println(var1);
        this.this$0.age = 20;
    }
}
复制代码

这一次编译器直接经过外部类的引用操做age，没毛病，因为age是包访问级别，因此这样是最高效的。 若是将age改成private，编译器会在Demo类中生成二个方法，分别用于读取age和设置age，篇幅关系，这种状况留给你们自行测试。

解答为什么局部变量传递给匿名内部类须要是final?

经过上面的例子能够看到，不是必定须要局部变量是final的，可是你不能在匿名内部类中修改外部局部变量，由于Java对于匿名内部类传递变量的实现是基于构造器传参的，也就是说若是容许你在匿名内部类中修改值，你修改的是匿名内部类中的外部局部变量副本，最终并不会对外部类产生效果，由于已是二个变量了。 这样就会让程序员产生困扰，原觉得修改会生效，事实上却并不会，因此Java就禁止在匿名内部类中修改外部局部变量。

如何建立内部类实例，如何继承内部类？

因为内部类对象须要持有外部类对象的引用，因此必须得先有外部类对象

Demo.DemoRunnable demoRunnable = new Demo().new DemoRunnable();
复制代码

那如何继承一个内部类呢，先给出示例

public class Demo2 extends Demo.DemoRunnable {
        public Demo2(Demo demo) {
            demo.super();
        }

        @Override
        public void run() {
            super.run();
        }
    }
复制代码

必须在构造器中传入一个Demo对象，而且还须要调用demo.super(); 看个例子

public class DemoKata {
    public static void main(String[] args) {
        Demo2 demo2 = new DemoKata().new Demo2(new Demo());
    }

    public class Demo2 extends Demo.DemoRunnable {
        public Demo2(Demo demo) {
            demo.super();
        }

        @Override
        public void run() {
            super.run();
        }
    }
}
复制代码

因为Demo2也是一个内部类，因此须要先new一个DemoKata对象。 这一个问题描述的场景可能用的并很少，通常也不这么去用，这里提一下，你们知道有这么回事就行。

Lambda表达式是如何实现的？

Java8引入了Lambda表达式，必定程度上能够简化咱们的代码，使代码结构看起来更优雅。作技术的仍是要有刨根问底的那股劲，问问本身有没有想过Java中Lambda究竟是如何实现的呢？

来看一个最简单的例子

public class Animal {
    public void run(Runnable runnable) {
    }
}
复制代码

Animal类中定义了一个run方法，参数是一个Runnable对象，Java8之前，咱们能够传入一个匿名内部类对象

run(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
            }
});
复制代码

Java 8 以后编译器已经很智能的提示咱们能够用Lambda表达式来替换。既然能够替换，那匿名内部类和Lambda表达式是否是底层实现是同样的呢，或者说Lambda表达式只是匿名内部类的语法糖呢？ 要解答这个问题，咱们仍是要去字节码中找线索。经过前面的知识，咱们知道javac Animal.java命令将类编译成class，匿名内部类的方式会产生一个额外的类。那用Lambda表达式会不会也会编译新类呢？咱们试一下便知。

public void run(Runnable runnable) {
    }

    public void test() {
        run(() -> {});
    }
复制代码

javac Animal.java，发现并无生成额外的类！！！ 咱们继续使用javap -verbose Animal.class来查看Animal.class的字节码实现，重点关注test方法

public void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokedynamic #2, 0 // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
         6: invokevirtual #3 // Method run:(Ljava/lang/Runnable;)V
         9: return

SourceFile: "Demo.java"
InnerClasses:
     public static final #34= #33 of #37; //Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles
BootstrapMethods:
  0: #18 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$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:
      #19 ()V
      #20 invokestatic com/company/inner/Demo.lambda$test$0:()V
      #19 ()V

复制代码

发现test方法字节码中多了一个invokedynamic #2 0指令，这是java7引入的新指令，其中#2 指向

#2 = InvokeDynamic #0:#21 // #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
复制代码

而0表明BootstrapMethods方法表中的第一个，java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory方法被调用。

BootstrapMethods:
  0: #18 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #19 ()V
      #20 invokestatic com/company/inner/Demo.lambda$test$0:()V
      #19 ()V
复制代码

这里面咱们看到了com/company/inner/Demo.lambda$test$0这么个东西，看起来跟咱们的匿名内部类的名称有些相似，并且中间还有lambda，有可能就是咱们要找的生成的类。 咱们不妨验证下咱们的想法，能够经过下面的代码打印出Lambda对象的真实类名。

public void run(Runnable runnable) {
        System.out.println(runnable.getClass().getCanonicalName());
    }

    public void test() {
        run(() -> {});
    }
复制代码

打印出runnable的类名，结果以下

com.company.inner.Demo$$Lambda$1/764977973
复制代码

跟咱们上面的猜想并不彻底一致，咱们继续找别的线索，既然咱们有看到LambdaMetafactory.metafactory这个类被调用，不妨继续跟进看下它的实现

public static CallSite metafactory(MethodHandles.Lookup caller,
                                       String invokedName,
                                       MethodType invokedType,
                                       MethodType samMethodType,
                                       MethodHandle implMethod,
                                       MethodType instantiatedMethodType)
            throws LambdaConversionException {
        AbstractValidatingLambdaMetafactory mf;
        mf = new InnerClassLambdaMetafactory(caller, invokedType,
                                             invokedName, samMethodType,
                                             implMethod, instantiatedMethodType,
                                             false, EMPTY_CLASS_ARRAY, EMPTY_MT_ARRAY);
        mf.validateMetafactoryArgs();
        return mf.buildCallSite();
    }
复制代码

内部new了一个InnerClassLambdaMetafactory对象。看名字很可疑，继续跟进

public InnerClassLambdaMetafactory(...)
            throws LambdaConversionException {
        //....
        lambdaClassName = targetClass.getName().replace('.', '/') + "$$Lambda$" + counter.incrementAndGet();
        cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
       //....
    }
复制代码

省略了不少代码，咱们重点看lambdaClassName这个字符串（经过名字就知道是干啥的），能够看到它的拼接结果跟咱们上面打印的Lambda类名基本一致。而下面的ClassWriter也暴露了，其实Lambda运用的是Asm字节码技术，在运行时生成类文件。我感受到这里就差很少了，再往下可能就有点太过细节了。-。-

Lambda实现总结

因此Lambda表达式并非匿名内部类的语法糖，它是基于invokedynamic指令，在运行时使用ASM生成类文件来实现的。

写在最后

这多是我迄今写的最长的一篇技术文章了，写的过程当中也在不断的加深本身对知识点的理解，颠覆了不少以往的错误认知。写技术文章这条路我会一直坚持下去。 很是喜欢获得里面的一句slogan，胡适先生说的话。 怕什么真理无穷，进一寸有一寸的欢喜 共勉!

相关文章
相关标签/搜索
每日一句
    每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
本站公众号
   欢迎关注本站公众号,获取更多信息
联系我们 最近搜索 最新文章 沪ICP备13005482号-10 MyBatis教程 SQL 教程 MySQL教程 Java 教程 Thymeleaf 教程 Hibernate教程 Spring教程 Redis教程