深入理解Java中的Lambda表达式

Java 8 开始出现，带来一个全新特性：使用 Lambda 表达式 (JSR-335) 进行函数式编程。今天我们要讨论的是 Lambda 的其中一部分：虚拟扩展方法，也叫做公共辩护(defender)方法。该特性可以让你在接口定义中提供方法的默认实现。例如你可以为已有的接口（如 List 和 Map）声明一个方法定义，这样其他开发者就无需重新实现这些方法，有点像抽象类，但实际却是接口。当然，Java 8 理论上还是兼容已有的库。

虚拟扩展方法为 Java 带来了多重继承的特性，尽管该团队声称与多重继承不同，虚拟扩展方法被限制用于行为继承。或许通过这个特性你可以看到了多重继承的影子。但你还是可以模拟实例状态的继承。我将在接下来的文章详细描述 Java 8 中通过 mixin 混入实现状态的继承。

什么是混入 mixin?

混入是一种组合的抽象类，主要用于多继承上下文中为一个类添加多个服务，多重继承将多个 mixin 组合成你的类。例如，如果你有一个类表示“马”，你可以实例化这个类来创建一个“马”的实例，然后通过继承像“车库”和“花园”来扩展它，使用 Scala 的写法就是：
 
val myHouse = new House with Garage with Garden

从 mixin 继承并不是一个特定的规范，这只是用来将各种功能添加到已有类的方法。在 OOP 中，有了 mixin，你就有通过它来提升类的可读性。

例如在 Python 的  socketserver 模块中就有使用 mixin 的方法，在这里，mixin 帮助 4 个基于不同 Socket 的 服务，包括支持多进程的 UDP 和 TCP 服务以及支持多线程的 UDP 和 TCP 服务。

class ForkingUDPServer(ForkingMixIn, UDPServer): pass
class ForkingTCPServer(ForkingMixIn, TCPServer): pass

class ThreadingUDPServer(ThreadingMixIn, UDPServer): pass
class ThreadingTCPServer(ThreadingMixIn, TCPServer): pass

什么是虚拟扩展方法?

Java 8 将引入虚拟扩展方法的概念，也叫 public defender method. 让我们姑且把这个概念简化为 VEM。

VEM 旨在为 Java 接口提供默认的方法定义，你可以用它在已有的接口中添加新的方法定义，例如 Java 里的集合 API。这样类似 Hibernate 这样的第三方库无需重复实现这些集合 API 的所有方法，因为已经提供了一些默认方法。

下面是如何在接口中定义方法的示例：

public interface Collection<T> extends Iterable<T> {

  <R> Collection<R> filter(Predicate<T> p)
    default { return Collections.<T>filter(this, p); }

}

Java 8 对混入的模拟

现在我们来通过 VEM 实现一个混入效果，不过事先警告的是：请不要在工作中使用！

下面的实现不是线程安全的，而且还可能存在内存泄露问题，这取决于你在类中定义的 hashCode 和 equals 方法，这也是另外一个缺点，我将在后面讨论这个问题。

首先我们定义一个接口（模拟状态Bean）并提供方法的默认定义：

public interface SwitchableMixin {
  boolean isActivated() default { return Switchables.isActivated(this); }
  void setActivated(boolean activated) default { Switchables.setActivated(this, activated); }
}

然后我们定义一个工具类，包含一个 Map 实例来保存实例和状态的关联，状态通过工具类中的私有的嵌套类代表：

public final class Switchables {

  private static final Map<SwitchableMixin, SwitchableDeviceState> SWITCH_STATES = new HashMap<>();

  public static boolean isActivated(SwitchableMixin device) {
    SwitchableDeviceState state = SWITCH_STATES.get(device);
    return state != null && state.activated;
  }

  public static void setActivated(SwitchableMixin device, boolean activated) {
    SwitchableDeviceState state = SWITCH_STATES.get(device);
    if (state == null) {
      state = new SwitchableDeviceState();
      SWITCH_STATES.put(device, state);
    }
    state.activated = activated;
  }

  private static class SwitchableDeviceState {
    private boolean activated;
  }

}

这里是一个使用用例，突出了状态的继承：

private static class Device {}

private static class DeviceA extends Device implements SwitchableMixin {}

private static class DeviceB extends Device implements SwitchableMixin {}

“完全不同的东西”

上面的实现跑起来似乎挺正常的，但 Oracle 的 Java 语言架构师 Brian Goetz 向我提出一个疑问说当前实现是无法工作的（假设线程安全和内存泄露问题已解决）

interface FakeBrokenMixin {
  static Map<FakeBrokenMixin, String> backingMap
    = Collections.synchronizedMap(new WeakHashMap<FakeBrokenMixin, String>());

  String getName() default { return backingMap.get(this); }
  void setName(String name) default { backingMap.put(this, name); }
}

interface X extends Runnable, FakeBrokenMixin {}

X makeX() { return () -> { System.out.println("X"); }; }

  X x1 = makeX();
  X x2 = makeX();
  x1.setName("x1");
  x2.setName("x2");

  System.out.println(x1.getName());
  System.out.println(x2.getName());

你猜这段代码执行后会显示什么结果呢？
疑问的解决

第一眼看去，这个实现的代码没有问题。X 是一个只包含一个方法的接口，因为 getName 和 setName 已经有了默认的定义，但 Runable 接口的 run 方法没有定义，因此我们可通过 lambda 表达式来生成 X 的实例，然后提供 run 方法的实现，就像 makeX 那样。因此，你希望这个程序执行后显示的结果是：

x1
x2

如果你删掉 getName 方法的调用，那么执行结果变成：

MyTest$1@30ae8764
MyTest$1@123acf34

这两行显示出 makeX 方法的执行来自两个不同的实例，而这时当前 OpenJDK 8 生成的（这里我使用的是 OpenJDK 8 24.0-b07）.

不管怎样，当前的 OpenJDK 8 并不能反映最终的 Java 8 的行为，为了解决这个问题，你需要使用特殊参数 -XDlambdaToMethod 来运行 javac 命令，在使用了这个参数后，运行结果变成：

x2
x2

如果不调用 getName 方法，则显示：

MyTest$$Lambda$1@5506d4ea
MyTest$$Lambda$1@5506d4ea

每个调用 makeX 方法似乎都是来自相同匿名内部类的一个单例实例，如果观察包含编译后的 java class 文件的目录，会发现并没有一个名为 MyTestClass$$Lambda$1.class 的文件。

因为在编译时，lambda 表达式并没有经过完整的翻译，事实上这个翻译过程是在编译和运行时完成的，javac 编译器将 lambda 表达式变成 JVM 新增的指令 invokedynamic (JSR292)。这个指令包含所有必须的关于在运行时执行 lambda 表达式的元信息。包括要调用的方法名、输入输出类型以及一个名为 bootstrap 的方法。bootstrap 方法用于定义接收此方法调用的实例，一旦 JVM 执行了 invokedynamic 指令，JVM 就会在特定的 bootstrap 上调用 lambda 元工厂方法 (lambda metafactory method)。

再回到刚才那个疑问中，lambda 表达式转成了一个私有的静态方法，() -> { System.out.println("X"); } 被转到了 MyTest：

private static void lambda$0() {
  System.out.println("X");
}

如果你用 javap 反编译器并使用 -private 参数就可以看到这个方法，你也可以使用 -c 参数来查看更加完整的转换。

当你运行程序时，JVM 会调用 lambda metafactory method 来尝试阐释 invokedynamic 指令。在我们的例子中，首次调用 makeX 时，lambda metafactory method 生成一个 X 的实例并动态链接 run 方法到 lambda$0 方法. X 的实例接下来被存储在内存中，当第二次调用 makeX 时就直接从内存中读取这个实例，因此你第二次调用的实例跟第一次是一样的。
修复了吗？有解决办法吗？

目前尚无这个问题直接的修复或者是解决办法。尽管 Oracle 的 Java 8 计划默认激活-XDlambdaToMethod 参数，因为这个参数并不是 JVM 规范的一部分，因此不同供应商和 JVM 的实现是不同的。对一个 lambda 表达式而言，你唯一能期望的就是在类中实现你的接口方法。

其他的方法

到此为止，尽管我们对 mixin 的模仿并不能兼容 Java 8，但还是可能通过多继承和委派为已有的类添加多个服务。这个方法就是 virtual field pattern (虚拟字段模式).

所以来看看我们的 Switchable.

interface Switchable {  boolean isActive();
  void setActive(boolean active);
}

我们需要一个基于 Switchable 的接口，并提供一个附加的抽象方法返回 Switchable 的实现。集成的方法包含默认的定义，它们使用 getter 来转换到 Switchable 实现的调用：

public interface SwitchableView extends Switchable {
  Switchable getSwitchable();

  boolean isActive() default { return getSwitchable().isActive(); }
  void setActive(boolean active) default { getSwitchable().setActive(active); }
}

接下来，我们创建一个完整的 Switchable 实现：

public class SwitchableImpl implements Switchable {

  private boolean active;

  @Override
  public boolean isActive() {
    return active;
  }

  @Override
  public void setActive(boolean active) {
    this.active = active;
  }
}

这里是我们使用虚拟字段模式的例子：

public class Device {}

public class DeviceA extends Device implements SwitchableView {
  private Switchable switchable = new SwitchableImpl();

  @Override
  public Switchable getSwitchable() {
    return switchable;
  }
}

public class DeviceB extends Device implements SwitchableView {
  private Switchable switchable = new SwitchableImpl();

  @Override
  public Switchable getSwitchable() {
    return switchable;
  }
}

结论

在这篇文章中，我们使用了两种方法通过 Java 8 的虚拟扩展方法为类增加多个服务。第一个方法使用一个 Map 来存储实例状态，这个方法很危险，因为不是线程安全而且存在内存泄露问题，这完全依赖于不同的 JVM 对 Java 语言的实现。另外一个方法是使用虚拟字段模式，通过一个抽象的 getter 来返回最终的实现实例。第二种方法更加独立而且更加安全。

虚拟扩展方法是 Java 的新特性，本文主要介绍的是多重继承的实现，详细你会有更深入的研究以及应用于其他方面，别忘了跟大家分享。