Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

干货满满张哈希
• 阅读 798

快速上手 Record 类

我们先举一个简单例子,声明一个用户 Record。

public record User(long id, String name, int age) {}

这样编写代码之后,Record 类默认包含的元素和方法实现包括:

  1. record 头指定的组成元素(int id, String name, int age),并且,这些元素都是 final 的。
  2. record 默认只有一个构造器,是包含所有元素的构造器。
  3. record 的每个元素都有一个对应的 getter(但这种 getter 并不是 getxxx(),而是直接用变量名命名,所以使用序列化框架,DAO 框架都要注意这一点)
  4. 实现好的 hashCode(),equals(),toString() 方法(通过自动在编译阶段生成关于 hashCode(),equals(),toString() 方法实现的字节码实现)。

我们来使用下这个 Record :

User zhx = new User(1, "zhx", 29);
User ttj = new User(2, "ttj", 25);
System.out.println(zhx.id());//1
System.out.println(zhx.name());//zhx
System.out.println(zhx.age());//29
System.out.println(zhx.equals(ttj));//false
System.out.println(zhx.toString());//User[id=1, name=zhx, age=29]
System.out.println(zhx.hashCode());//3739156

Record 的结构是如何实现的

编译后插入相关域与方法的字节码

查看上面举得例子的字节码,有两种方式,一是通过 javap -v User.class 命令查看文字版的字节码,截取重要的字节码如下所示:

//省略文件头,文件常量池部分
{
  //public 构造器,全部属性作为参数,并给每个 Field 赋值
  public com.github.hashzhang.basetest.User(long, java.lang.String, int);
    descriptor: (JLjava/lang/String;I)V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=5, args_size=4
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Record."<init>":()V
         4: aload_0
         5: lload_1
         6: putfield      #7                  // Field id:J
         9: aload_0
        10: aload_3
        11: putfield      #13                 // Field name:Ljava/lang/String;
        14: aload_0
        15: iload         4
        17: putfield      #17                 // Field age:I
        20: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      21     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
            0      21     1    id   J
            0      21     3  name   Ljava/lang/String;
            0      21     4   age   I
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      id
      name
      age

  //public final 修饰的 toString 方法
  public final java.lang.String toString();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         //核心实现是这个 invokedynamic,我们后面会分析
         1: invokedynamic #21,  0             // InvokeDynamic #0:toString:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;)Ljava/lang/String;
         6: areturn
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       7     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
  //public final 修饰的 hashCode 方法
  public final int hashCode();
    descriptor: ()I
    flags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         //核心实现是这个 invokedynamic,我们后面会分析
         1: invokedynamic #25,  0             // InvokeDynamic #0:hashCode:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;)I
         6: ireturn
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       7     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
  //public final 修饰的 equals 方法
  public final boolean equals(java.lang.Object);
    descriptor: (Ljava/lang/Object;)Z
    flags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         //核心实现是这个 invokedynamic,我们后面会分析
         2: invokedynamic #29,  0             // InvokeDynamic #0:equals:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;Ljava/lang/Object;)Z
         7: ireturn
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       8     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
            0       8     1     o   Ljava/lang/Object;
  //public 修饰的 id 的 getter
  public long id();
    descriptor: ()J
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #7                  // Field id:J
         4: lreturn
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
  //public 修饰的 name 的 getter
  public java.lang.String name();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #13                 // Field name:Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
  //public 修饰的 age 的 getter
  public int age();
    descriptor: ()I
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #17                 // Field age:I
         4: ireturn
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
}
SourceFile: "User.java"
Record:
  long id;
    descriptor: J

  java.lang.String name;
    descriptor: Ljava/lang/String;

  int age;
    descriptor: I

//以下是 invokedynamic 会调用的方法以及参数信息,我们后面会分析
BootstrapMethods:
  0: #50 REF_invokeStatic java/lang/runtime/ObjectMethods.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/TypeDescriptor;Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/invoke/MethodHandle;)Ljava
/lang/Object;
    Method arguments:
      #8 com/github/hashzhang/basetest/User
      #57 id;name;age
      #59 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.id:J
      #60 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.name:Ljava/lang/String;
      #61 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.age:I
InnerClasses:
  public static final #67= #63 of #65;    // Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles

另一种是通过 IDE 的 jclasslib 插件查看,我推荐使用这种方法,查看效果如下:

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

自动生成的 private final field

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

自动生成的全属性构造器

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

自动生成的 public getter 方法

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

自动生成的 hashCode(),equals(),toString() 方法

这些方法的核心就是 invokedynamic

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

看上去貌似是调用另外一个方法,这种间接调用难道没有性能损耗问题么?这一点 JVM 开发者已经想到了。我们先来来了解下 invokedynamic

invokedynamic 产生的背景

Java 最早是一种静态类型语言,也就是说它的类型检查的主体过程主要是在编译期而不是运行期。为了兼容动态类型语法,也是为了 JVM 能够兼容动态语言(JVM 设计初衷并不是只能运行 Java),在 Java 7 引入了字节码指令 invokedynamic。这也是后来 Java 8 的拉姆达表达式以及 var 语法的实现基础。

invokedynamic 与 MethodHandle

invokedynamic 离不开对 java.lang.invoke 包的使用。这个包的主要目的是在之前单纯依靠符号引用来确定调用的目标方法这种方式以外,提供一种新的动态确定目标方法的机制,称为MethodHandle

通过 MethodHandle 可以动态获取想调用的方法进行调用,和 Java Reflection 反射类似,但是为了追求性能效率,需要用 MethodHandle,主要原因是: Reflection 仅仅是 Java 语言上补充针对反射的实现,并没有考虑效率的问题,尤其是 JIT 基本无法针对这种反射调用进行有效的优化MethodHandle 更是像是对于字节码的方法指令调用的模拟,适当使用的话 JIT 也能对于它进行优化,例如将 MethodHandle 相关方法引用声明为 static final 的:

private static final MutableCallSite callSite = new MutableCallSite(
        MethodType.methodType(int.class, int.class, int.class));
private static final MethodHandle invoker = callSite.dynamicInvoker();

自动生成的 toString(), hashcode(), equals() 的实现

通过字节码可以看出 incokedynamic 实际调用的是 BoostrapMethods 中的 #0 方法:

0 aload_0
1 invokedynamic #24 <hashCode, BootstrapMethods #0>
6 ireturn

Bootstap 方法表包括:

BootstrapMethods:
  //调用的实际是 java.lang.runtime.ObjectMethods 的 boostrap 方法
  0: #50 REF_invokeStatic java/lang/runtime/ObjectMethods.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/TypeDescriptor;Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/invoke/MethodHandle;)Ljava
/lang/Object;
    Method arguments:
      #8 com/github/hashzhang/basetest/User
      #57 id;name;age
      #59 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.id:J
      #60 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.name:Ljava/lang/String;
      #61 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.age:I
InnerClasses:
  //声明 MethodHandles.Lookup 为 final,加快调用性能,这样调用 BootstrapMethods 里面的方法可以实现近似于直接调用的性能 
  public static final #67= #63 of #65;    // Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles

从这里,我们就能看出,实际上 toString() 调用的是 java.lang.runtime.ObjectMethodsbootstap() 方法。其核心代码是: ObjectMethods.java

public static Object bootstrap(MethodHandles.Lookup lookup, String methodName, TypeDescriptor type,
                                   Class<?> recordClass,
                                   String names,
                                   MethodHandle... getters) throws Throwable {
        MethodType methodType;
        if (type instanceof MethodType)
            methodType = (MethodType) type;
        else {
            methodType = null;
            if (!MethodHandle.class.equals(type))
                throw new IllegalArgumentException(type.toString());
        }
        List<MethodHandle> getterList = List.of(getters);
        MethodHandle handle;
        //根据 method 名称,处理对应的逻辑,分别对应了 equals(),hashCode(),toString() 的实现
        switch (methodName) {
            case "equals":
                if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(boolean.class, recordClass, Object.class)))
                    throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);
                handle = makeEquals(recordClass, getterList);
                return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;
            case "hashCode":
                if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(int.class, recordClass)))
                    throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);
                handle = makeHashCode(recordClass, getterList);
                return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;
            case "toString":
                if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(String.class, recordClass)))
                    throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);
                List<String> nameList = "".equals(names) ? List.of() : List.of(names.split(";"));
                if (nameList.size() != getterList.size())
                    throw new IllegalArgumentException("Name list and accessor list do not match");
                handle = makeToString(recordClass, getterList, nameList);
                return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;
            default:
                throw new IllegalArgumentException(methodName);
        }
    }

其中,toString() 方法 的核心实现逻辑,就要看case "toString" 这一分支了,核心逻辑是makeToString(recordClass, getterList, nameList)

private static MethodHandle makeToString(Class<?> receiverClass,
                                            //所有的 getter 方法
                                            List<MethodHandle> getters,
                                            //所有的 field 名称
                                            List<String> names) {
    assert getters.size() == names.size();
    int[] invArgs = new int[getters.size()];
    Arrays.fill(invArgs, 0);
    MethodHandle[] filters = new MethodHandle[getters.size()];
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    //先拼接类名称[
    sb.append(receiverClass.getSimpleName()).append("[");
    for (int i=0; i<getters.size(); i++) {
        MethodHandle getter = getters.get(i); // (R)T
        MethodHandle stringify = stringifier(getter.type().returnType()); // (T)String
        MethodHandle stringifyThisField = MethodHandles.filterArguments(stringify, 0, getter);    // (R)String
        filters[i] = stringifyThisField;
        //之后拼接 field 名称=值
        sb.append(names.get(i)).append("=%s");
        if (i != getters.size() - 1)
            sb.append(", ");
    }
    sb.append(']');
    String formatString = sb.toString();
    MethodHandle formatter = MethodHandles.insertArguments(STRING_FORMAT, 0, formatString)
                                          .asCollector(String[].class, getters.size()); // (R*)String
    if (getters.size() == 0) {
        // Add back extra R
        formatter = MethodHandles.dropArguments(formatter, 0, receiverClass);
    }
    else {
        MethodHandle filtered = MethodHandles.filterArguments(formatter, 0, filters);
        formatter = MethodHandles.permuteArguments(filtered, MethodType.methodType(String.class, receiverClass), invArgs);
    }
    return formatter;
}

同理,hashcode() 实现是:

private static MethodHandle makeHashCode(Class<?> receiverClass,
                                            List<MethodHandle> getters) {
    MethodHandle accumulator = MethodHandles.dropArguments(ZERO, 0, receiverClass); // (R)I

    // 对于每一个 field,找到对应的 hashcode 方法,取 哈希值,最后组合在一起
    for (MethodHandle getter : getters) {
        MethodHandle hasher = hasher(getter.type().returnType()); // (T)I
        MethodHandle hashThisField = MethodHandles.filterArguments(hasher, 0, getter);    // (R)I
        MethodHandle combineHashes = MethodHandles.filterArguments(HASH_COMBINER, 0, accumulator, hashThisField); // (RR)I
        accumulator = MethodHandles.permuteArguments(combineHashes, accumulator.type(), 0, 0); // adapt (R)I to (RR)I
    }

    return accumulator;
}

同理,equals() 实现是:

private static MethodHandle makeEquals(Class<?> receiverClass,
                                          List<MethodHandle> getters) {
        MethodType rr = MethodType.methodType(boolean.class, receiverClass, receiverClass);
        MethodType ro = MethodType.methodType(boolean.class, receiverClass, Object.class);
        MethodHandle instanceFalse = MethodHandles.dropArguments(FALSE, 0, receiverClass, Object.class); // (RO)Z
        MethodHandle instanceTrue = MethodHandles.dropArguments(TRUE, 0, receiverClass, Object.class); // (RO)Z
        MethodHandle isSameObject = OBJECT_EQ.asType(ro); // (RO)Z
        MethodHandle isInstance = MethodHandles.dropArguments(CLASS_IS_INSTANCE.bindTo(receiverClass), 0, receiverClass); // (RO)Z
        MethodHandle accumulator = MethodHandles.dropArguments(TRUE, 0, receiverClass, receiverClass); // (RR)Z
        //对比两个对象的每个 field 的 getter 获取的值是否一样,对于引用类型通过 Objects.equals 方法,对于原始类型直接通过 == 
        for (MethodHandle getter : getters) {
            MethodHandle equalator = equalator(getter.type().returnType()); // (TT)Z
            MethodHandle thisFieldEqual = MethodHandles.filterArguments(equalator, 0, getter, getter); // (RR)Z
            accumulator = MethodHandles.guardWithTest(thisFieldEqual, accumulator, instanceFalse.asType(rr));
        }

        return MethodHandles.guardWithTest(isSameObject,
                                           instanceTrue,
                                           MethodHandles.guardWithTest(isInstance, accumulator.asType(ro), instanceFalse));
    }

我在参与 掘金2021年度人气榜单,麻烦大家帮我投出宝贵一票,谢谢

Java Record 的一些思考 - 默认方法使用以及基于预编译生成相关字节码的底层实现

点赞
收藏
评论区
推荐文章
技术小男生 技术小男生
1个月前
linux环境jdk环境变量配置
1:编辑系统配置文件vi /etc/profile2:按字母键i进入编辑模式,在最底部添加内容: JAVAHOME/opt/jdk1.8.0152 CLASSPATH.:$JAVAHOME/lib/dt.jar:$JAVAHOME/lib/tools.jar PATH$JAVAHOME/bin:$PATH3:生效配置
光头强的博客 光头强的博客
1个月前
Java面向对象试题
1、 请创建一个Animal动物类,要求有方法eat()方法,方法输出一条语句“吃东西”。 创建一个接口A,接口里有一个抽象方法fly()。创建一个Bird类继承Animal类并实现 接口A里的方法输出一条有语句“鸟儿飞翔”,重写eat()方法输出一条语句“鸟儿 吃虫”。在Test类中向上转型创建b对象,调用eat方法。然后向下转型调用eat()方
blmius blmius
1年前
MySQL:[Err] 1292 - Incorrect datetime value: ‘0000-00-00 00:00:00‘ for column ‘CREATE_TIME‘ at row 1
文章目录 问题 用navicat导入数据时,报错: 原因这是因为当前的MySQL不支持datetime为0的情况。 解决修改sql\mode: sql\mode:SQL Mode定义了MySQL应支持的SQL语法、数据校验等,这样可以更容易地在不同的环境中使用MySQL。 全局s
Wesley13 Wesley13
1年前
java类与对象
java类的定义: class Person{ //成员变量的定义 private int id; private int age; //方法定义 public int getAge(){return age;} public void setAge(int i){age = 1} } 1、类的定义主要有两方面组成:一是成员变量二是方法
Wesley13 Wesley13
1年前
MySQL千万级别优化·中
MySQL 千万级别的查询优化手段·中 ------------------- #### 单列索引(假设在 v\_record 表中存在 id 列的索引) **1、WHERE 条件使用** ​ EXPLAIN SELECT \* FROM v\_record WHERE id = 2 ​ 结论:利用索引进行回表查询 **2、SELECT 字段使用*
Stella981 Stella981
1年前
KVM调整cpu和内存
一.修改kvm虚拟机的配置 1、virsh edit centos7 找到“memory”和“vcpu”标签,将 <name>centos7</name> <uuid>2220a6d1-a36a-4fbb-8523-e078b3dfe795</uuid>
Easter79 Easter79
1年前
Twitter的分布式自增ID算法snowflake (Java版)
概述 == 分布式系统中,有一些需要使用全局唯一ID的场景,这种时候为了防止ID冲突可以使用36位的UUID,但是UUID有一些缺点,首先他相对比较长,另外UUID一般是无序的。 有些时候我们希望能使用一种简单一些的ID,并且希望ID能够按照时间有序生成。 而twitter的snowflake解决了这种需求,最初Twitter把存储系统从MySQL迁移
Wesley13 Wesley13
1年前
MySQL查询按照指定规则排序
1.按照指定(单个)字段排序 select * from table_name order id desc; 2.按照指定(多个)字段排序 select * from table_name order id desc,status desc; 3.按照指定字段和规则排序 selec
Stella981 Stella981
1年前
JFinal独创Db + Record模式示例
JFinal配备的ActiveRecord插件,除了实现了类似Rails ActiveRecrod的功能之外,还独创了Db + Record模式,此模式下,开发者可以连Model都不需要写就可以轻松操作数据库。 以下是示例代码: // 创建name属性为James,age属性为25的record对象并添加到数据库 Record u
虾米大王 虾米大王
3个月前
java代码078
code078.java package pack02;//ͼ����,public class code078 private int id; //ͼ���� private String name;//ͼ������ private double price;//�۸� private int bookCount;//���� private Strin