Java11中基于嵌套关系的访问控制优化详解

2024-08-02 18:26:45

前言

Java 语言很强大，但是，有人的地方就有江湖，有猿的地方就有 bug，Java 的核心代码并非十全十美。比如在JDK 中居然也有反模式接口常量中介绍的反模式实现，以及本文说到的这个技术债务：嵌套关系（NestMate）调用方式。

在 Java 语言中，类和接口可以相互嵌套，这种组合之间可以不受限制的彼此访问，包括访问彼此的构造函数、字段、方法等。即使是private私有的，也可以彼此访问。比如下面这样定义：

public class Outer {
    private int i;

    public void print1() {
        print11();
        print12();
    }

    private void print11() {
        System.out.println(i);
    }

    private void print12() {
        System.out.println(i);
    }

    public void callInnerMethod() {
        final Inner inner = new Inner();
        inner.print4();
        inner.print5();
        System.out.println(inner.j);
    }

    public class Inner {
        private int j;

        public void print3() {
            System.out.println(i);
            print1();
        }

        public void print4() {
            System.out.println(i);
            print11();
            print12();
        }

        private void print5() {
            System.out.println(i);
            print11();
            print12();
        }
    }
}

上例中，Outer类中的字段i、方法print11和print12都是私有的，但是可以在Inner类中直接访问，Inner类的字段j、方法print5是私有的，也可以在Outer类中使用。这种设计是为了更好的封装，在用户看来，这几个彼此嵌套的类/接口是一体的，分开定义是为了更好的封装自己，隔离不同特性，但是有因为彼此是一体，所以私有元素也应该是共有的。

Java11 之前的实现方式

我们使用 Java8 编译，然后借助javap -c命令分别查看Outer和Inner的结果。

$ javap -c Outer.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer {
  public cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #4                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public void print1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #2                  // Method print11:()V
       4: aload_0
       5: invokespecial #1                  // Method print12:()V
       8: return

  public void callInnerMethod();
    Code:
       0: new           #7                  // class cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner
       3: dup
       4: aload_0
       5: invokespecial #8                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner."<init>":(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
       8: astore_1
       9: aload_1
      10: invokevirtual #9                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.print4:()V
      13: aload_1
      14: invokestatic  #10                 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.access$000:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner;)V
      17: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      20: aload_1
      21: invokestatic  #11                 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.access$100:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner;)I
      24: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      27: return

  static int access$200(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #3                  // Field i:I
       4: ireturn

  static void access$300(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #2                  // Method print11:()V
       4: return

  static void access$400(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method print12:()V
       4: return
}

再来看看Inner的编译结果，这里需要注意的是，内部类会使用特殊的命名方式定义Inner类，最终会将编译结果存储在两个文件中：

$ javap -c Outer\$Inner.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner {
  final cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer this$0;

  public cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
       5: aload_0
       6: invokespecial #4                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       9: return

  public void print3();
    Code:
       0: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
       7: invokestatic  #6                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$200:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)I
      10: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      13: aload_0
      14: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
      17: invokevirtual #8                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.print1:()V
      20: return

  public void print4();
    Code:
       0: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
       7: invokestatic  #6                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$200:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)I
      10: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      13: aload_0
      14: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
      17: invokestatic  #9                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$300:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
      20: aload_0
      21: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
      24: invokestatic  #10                 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$400:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
      27: return

  static void access$000(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner);
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #2                  // Method print5:()V
       4: return

  static int access$100(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner);
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #1                  // Field j:I
       4: ireturn
}

我们可以看到，Outer和Inner中多出了几个方法，方法名格式是access$*00。

Outer中的access$200方法返回了属性i，access$300和access$400分别调用了print11和print12方法。这些新增的方法都是静态方法，作用域是默认作用域，即包内可用。这些方法最终被Inner类中的print3和print4调用，相当于间接调用Outer中的私有属性或方法。

我们称这些生成的方法为“桥”方法（Bridge Method），是一种实现嵌套关系内部互相访问的方式。

在编译的时候，Java 为了保持类的单一特性，会将嵌套类编译到多个 class 文件中，同时为了保证嵌套类能够彼此访问，自动创建了调用私有方法的“桥”方法，这样，在保持原有定义不变的情况下，又实现了嵌套语法。

技术债务

“桥”方法的实现是比较巧妙的，但是这会造成源码与编译结果访问控制权限不一致，比如，我们可以在Inner中调用Outer中的私有方法，按照道理来说，我们可以在Inner中通过反射调用Outer的方法，但实际上不行，会抛出IllegalAccessException异常。我们验证一下：

public class Outer {
    // 省略其他方法
    public void callInnerReflectionMethod()
            throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException {
        final Inner inner = new Inner();
        inner.callOuterPrivateMethod(this);
    }

    public class Inner {
        // 省略其他方法
        public void callOuterPrivateMethod(Outer outer)
                throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
            final Method method = outer.getClass().getDeclaredMethod("print12");
            method.invoke(outer);
        }
    }
}

定义测试用例：

@Test
void gotAnExceptionInJava8() {
    final Outer outer = new Outer();

    final Exception e = assertThrows(IllegalAccessException.class, outer::callInnerReflectionMethod);
    e.printStackTrace();

    assertDoesNotThrow(outer::callInnerMethod);
}

打印的异常信息是：

java.lang.IllegalAccessException: class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner cannot access a member of class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer with modifiers "private"
   at java.base/jdk.internal.reflect.Reflection.newIllegalAccessException(Reflection.java:361)
   at java.base/java.lang.reflect.AccessibleObject.checkAccess(AccessibleObject.java:591)
   at java.base/java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:558)
   at cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner.callOuterPrivateMethod(Outer.java:62)
   at cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer.callInnerReflectionMethod(Outer.java:36)

通过反射直接调用私有方法会失败，但是可以直接的或者通过反射访问这些“桥”方法，这样就比较奇怪了。所以提出 JEP181 改进，修复这个技术债务的同时，为后续的改进铺路。

Java11 中的实现

我们再来看看 Java11 编译之后的结果：

$ javap -c Outer.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer {
  public cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public void print1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokevirtual #2                  // Method print11:()V
       4: aload_0
       5: invokevirtual #3                  // Method print12:()V
       8: return

  public void callInnerMethod();
    Code:
       0: new           #7                  // class cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner
       3: dup
       4: aload_0
       5: invokespecial #8                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner."<init>":(Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;)V
       8: astore_1
       9: aload_1
      10: invokevirtual #9                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.print4:()V
      13: aload_1
      14: invokevirtual #10                 // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.print5:()V
      17: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      20: aload_1
      21: getfield      #11                 // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.j:I
      24: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      27: return
}

是不是很干净，与Outer类的源码结构是一致的。我们再看看Inner有没有什么变化：

$ javap -c Outer\$Inner.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner {
  final cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer this$0;

  public cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner(cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
       5: aload_0
       6: invokespecial #2                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       9: return

  public void print3();
    Code:
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
       7: getfield      #4                  // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.i:I
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      13: aload_0
      14: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
      17: invokevirtual #6                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print1:()V
      20: return

  public void print4();
    Code:
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
       7: getfield      #4                  // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.i:I
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      13: aload_0
      14: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
      17: invokevirtual #7                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print11:()V
      20: aload_0
      21: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
      24: invokevirtual #8                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print12:()V
      27: return
}

同样干净。

我们在通过测试用例验证一下反射调用：

@Test
void doesNotGotAnExceptionInJava11() {
    final Outer outer = new Outer();

    assertDoesNotThrow(outer::callInnerReflectionMethod);
    assertDoesNotThrow(outer::callInnerMethod);
}

结果是正常运行。

这就是 JEP181 期望的结果，源码和编译结果一致，访问控制一致。

Nestmate 新增的 API

在 Java11 中还新增了几个 API，用于嵌套关系的验证：

getNestHost

这个方法是返回嵌套主机（NestHost），转成普通话就是找到嵌套类的外层类。对于非嵌套类，直接返回自身（其实也算是返回外层类）。

我们看下用法：

@Test
void checkNestHostName() {
    final String outerNestHostName = Outer.class.getNestHost().getName();
    assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer", outerNestHostName);

    final String innerNestHostName = Inner.class.getNestHost().getName();
    assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer", innerNestHostName);

    assertEquals(outerNestHostName, innerNestHostName);

    final String notNestClass = NotNestClass.class.getNestHost().getName();
    assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.NotNestClass", notNestClass);
}

对于Outer和Inner都是返回了cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer。

getNestMembers

这个方法是返回嵌套类的嵌套成员数组，下标是 0 的元素确定是 NestHost 对应的类，其他元素顺序没有给出排序规则。我们看下使用：

@Test
void getNestMembers() {
    final List<String> outerNestMembers = Arrays.stream(Outer.class.getNestMembers())
            .map(Class::getName)
            .collect(Collectors.toList());

    assertEquals(2, outerNestMembers.size());
    assertTrue(outerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer"));
    assertTrue(outerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner"));

    final List<String> innerNestMembers = Arrays.stream(Inner.class.getNestMembers())
            .map(Class::getName)
            .collect(Collectors.toList());

    assertEquals(2, innerNestMembers.size());
    assertTrue(innerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer"));
    assertTrue(innerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner"));
}

isNestmateOf

这个方法是用于判断两个类是否是彼此的 NestMate，彼此形成嵌套关系。判断依据还是嵌套主机，只要相同，两个就是 NestMate。我们看下使用：

@Test
void checkIsNestmateOf() {
    assertTrue(Inner.class.isNestmateOf(Outer.class));
    assertTrue(Outer.class.isNestmateOf(Inner.class));
}

后续的改进

嵌套关系是作为 Valhalla 项目的一部分，这个项目的主要目标之一是改进 JAVA 中的值类型和泛型。后续会有更多的改进：

在泛型特化（generic specialization）中，每个特化类型（specialized type）可被创建为泛型的一个 Nestmate。
支持对Unsafe.defineAnonymousClass() API 的安全替换，实现将新类创建为已有类的 Nestmate。
可能会影响“密封类”（sealed classes），仅允许 Nestmate 的子类作为密封类。
可能会影响私有嵌套类型。私有嵌套类型当前定义为包内可访问（package-access）。

文末总结

本文阐述了基于嵌套关系的访问控制优化，其中涉及NestMate、NestHost、NestMember等概念。这次优化是 Valhalla 项目中一部分，主要改进 Java 中的值类型和泛型等。

到此这篇关于Java11中基于嵌套关系的访问控制优化的文章就介绍到这了,更多相关Java11嵌套关系的访问控制内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！

Java JDK11基于嵌套的访问控制的实现

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Java11中基于嵌套关系的访问控制优化详解

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Tomcat 是 Apache软件基金会下的一个免费.开源的WEB应用服务器,它可以运行在 Linux 和 Windows 等多个平台上,由于其性能稳定.扩展性好.免费等特点深受广大用户喜爱.目前,很多互联网应用和企业应用都部署在 Tomcat 服务器上,比如我们公司,哈. 之前我们 tomcat 都采用的是默认的配置,因此在安全方面还是有所隐患的.上周对测试环境的所有服务器的tomcat都做了安全优化,其间也粗略做了一些性能优化,这里就简单记录分享下! 一.版本安全升级当前的tomcat版本
PHP中关于php.ini参数优化详解

PHP引擎php.ini参数优化无论是apache还是nginx,php.ini都是适合的.而php-fpm.conf适合nginx+fcgi的配置首先选择产品环境的php.ini(php.ini-production) /home/oldboy/tools/php-5.3.27/php.ini-development /home/oldboy/tools/php-5.3.27/php.ini-production 1.打开php的安全模式 php的安全模式是个非常重要的php内嵌的安全机制
基于java中的PO VO DAO BO POJO(详解)

一.PO:persistant object 持久对象,可以看成是与数据库中的表相映射的ava对象. 最简单的PO就是对应数据库中某个表中的一条记录,多个记录可以用PO的集合PO中应该不包含任何对数据库的操作. 二.VO:value object值对象.通常用于业务层之间的数据传递,和PO一样也是仅仅包含数据而已.但应是抽象出的业务对象可以和表对应也可以不这根据业务的需要三.DAO:data access object 数据访问对象,此对象用于访问数据库.通常和PO结合使用,DAO中包含了各种
基于java集合中的一些易混淆的知识点(详解)

(一) collection和collections 这两者均位于java.util包下,不同的是: collection是一个集合接口,有ListSet等常见的子接口,是集合框架图的第一个节点,,提供了对集合对象进行基本操作的一系列方法. 常见的方法有: boolean add(E e) 往容器中添加元素:int size() 返回collection的元素数:boolean isEmpty() 判断此容器是否为空: boolean contains(Object o) 如果此collecti
基于js中style.width与offsetWidth的区别(详解)

作为一个初学者,经常会遇到在获取某一元素的宽度(高度.top值...)时,到底是用 style.width还是offsetWidth的疑惑. 1. 当样式写在行内的时候,如 <div id="box" style="width:100px">时,用 style.width或者offsetWidth都可以获取元素的宽度. 但是,当样式写在样式表中时,如 #box{ width: 100px; }, 此时只能用offsetWidth来获取元素的宽度,而sty
基于JavaScript中字符串的match与replace方法(详解)

1.match方法 match() 方法可在字符串内检索指定的值,或找到一个或多个正则表达式的匹配. match()方法的返回值为:存放匹配结果的数组. 2.replace方法 replace() 方法用于在字符串中用一些字符替换另一些字符,或替换一个与正则表达式匹配的子串. replace方法的返回值为:一个新的字符串. 3.说明以上2个方法的参数在使用正则表达式时主要添加全局g,这样才能对字符串进行全部匹配或者替换. 示例代码: <!DOCTYPE html> <html lang