什么是语法糖?
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。
Java 中有哪些常见的语法糖?
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。
switch 支持 String 与枚举
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
(ackii 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:
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| 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:
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| 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。
泛型
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:
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| 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:
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| Map map = new HashMap(); map.put("name", "hollis"); map.put("wechat", "Hollis"); map.put("blog", "www.hollischuang.com");
|
以下代码:
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| 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:
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| 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
。
自动装箱与拆箱
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:
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| public static void main(String[] args) { int i = 10; Integer n = i; }
|
反编译后代码如下:
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| 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:
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| public static void main(String[] args) {
Integer i = 10; int n = i; }
|
反编译后代码如下:
1 2 3 4 5
| 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。
可变长参数
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:
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| 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:
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| 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。
枚举
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:
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| 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:
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| 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$VALUES = (new T[] { SPRING, SUMMER }); } }
|
通过反编译后代码我们可以看到,public final class T extends Enum
,说明,该类是继承了Enum
类的,同时final
关键字告诉我们,这个类也是不能被继承的。
当我们使用enum
来定义一个枚举类型的时候,编译器会自动帮我们创建一个final
类型的类继承Enum
类,所以枚举类型不能被继承。
内部类
内部类又称为嵌套类,可以把内部类理解为外部类的一个普通成员。
内部类之所以也是语法糖,是因为它仅仅是一个编译时的概念,outer.java
里面定义了一个内部类inner
,一旦编译成功,就会生成两个完全不同的.class
文件了,分别是outer.class
和outer$inner.class
。所以内部类的名字完全可以和它的外部类名字相同。
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| 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:
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| 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$0 = OutterClass.this; super(); } }
public OutterClass() { } public String getUserName() { return userName; } public void setUserName(String userName){ this.userName = userName; } public static void main(String args1[]) { } private String userName; }
|
条件编译
—般情况下,程序中的每一行代码都要参加编译。但有时候出于对程序代码优化的考虑,希望只对其中一部分内容进行编译,此时就需要在程序中加上条件,让编译器只对满足条件的代码进行编译,将不满足条件的代码舍弃,这就是条件编译。
如在 C 或 CPP 中,可以通过预处理语句来实现条件编译。其实在 Java 中也可实现条件编译。我们先来看一段代码:
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| public class ConditionalCompilation { public static void main(String[] args) { final boolean DEBUG = true; if(DEBUG) { System.out.println("Hello, DEBUG!"); }
final boolean ONLINE = false;
if(ONLINE){ System.out.println("Hello, ONLINE!"); } } }
|
反编译后代码如下:
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| public class ConditionalCompilation {
public ConditionalCompilation() { }
public static void main(String args[]) { boolean DEBUG = true; System.out.println("Hello, DEBUG!"); boolean ONLINE = false; } }
|
首先,我们发现,在反编译后的代码中没有System.out.println("Hello, ONLINE!");
,这其实就是条件编译。当if(ONLINE)
为 false 的时候,编译器就没有对其内的代码进行编译。
所以,Java 语法的条件编译,是通过判断条件为常量的 if 语句实现的。其原理也是 Java 语言的语法糖。根据 if 判断条件的真假,编译器直接把分支为 false 的代码块消除。通过该方式实现的条件编译,必须在方法体内实现,而无法在正整个 Java 类的结构或者类的属性上进行条件编译,这与 C/C++的条件编译相比,确实更有局限性。在 Java 语言设计之初并没有引入条件编译的功能,虽有局限,但是总比没有更强。
断言
在 Java 中,assert
关键字是从 JAVA SE 1.4 引入的,为了避免和老版本的 Java 代码中使用了assert
关键字导致错误,Java 在执行的时候默认是不启动断言检查的(这个时候,所有的断言语句都将忽略!),如果要开启断言检查,则需要用开关-enableassertions
或-ea
来开启。
看一段包含断言的代码:
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| public class AssertTest { public static void main(String args[]) { int a = 1; int b = 1; assert a == b; System.out.println("公众号:Hollis"); assert a != b : "Hollis"; System.out.println("博客:www.hollischuang.com"); } }
|
反编译后代码如下:
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| public class AssertTest { public AssertTest() { } public static void main(String args[]) { int a = 1; int b = 1; if(!$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 $assertionsDisabled = !com/hollis/suguar/AssertTest.desiredAssertionStatus();
}
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很明显,反编译之后的代码要比我们自己的代码复杂的多。所以,使用了 assert 这个语法糖我们节省了很多代码。其实断言的底层实现就是 if 语言,如果断言结果为 true,则什么都不做,程序继续执行,如果断言结果为 false,则程序抛出 AssertError 来打断程序的执行。-enableassertions
会设置$assertionsDisabled 字段的值。
数值字面量
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:
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| public class Test { public static void main(String... args) { int i = 10_000; System.out.println(i); } }
|
反编译后:
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| 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。
for-each
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?
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| 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:
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| 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。
try-with-resource
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:
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| 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) { } finally { try { if (br != null) { br.close(); } } catch (IOException ex) { } } }
|
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:
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| 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) { } }
|
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:
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| 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。
Lambda 表达式
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。Labmda 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:
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| 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:
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| public static 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$0(java.lang.String ), (Ljava/lang/String;)V)()); }
private static void lambda$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$0
方法进行了输出。
再来看一个稍微复杂一点的,先对 List 进行过滤,然后再输出:
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| public static void main(String... args) { List<String> strList = ImmutableList.of("Hollis", "公众号:Hollis", "博客:www.hollischuang.com");
List HollisList = strList.stream().filter(string -> string.contains("Hollis")).collect(Collectors.toList());
HollisList.forEach( s -> { System.out.println(s); } ); }
|
反编译后代码如下:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
| public static void main(String ... args) { ImmutableList strList = ImmutableList.of((Object)"Hollis", (Object)"\u516c\u4f17\u53f7\uff1aHollis", (Object)"\u535a\u5ba2\uff1awww.hollischuang.com"); List<Object> HollisList = strList.stream().filter((Predicate<String>)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)Z, lambda$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$1(java.lang.Object ), (Ljava/lang/Object;)V)()); }
private static void lambda$main$1(Object s) { System.out.println(s); }
private static boolean lambda$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。
可能遇到的坑
泛型
一、当泛型遇到重载
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| 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
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| 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。
自动装箱与拆箱
对象相等比较
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| 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:
1 2
| 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。
增强 for 循环
1 2 3 4
| 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。
总结
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。