不了解这12个语法糖，别说你会Java

2023-08-17 21:21:04 318

本文从Java编译原理角度，深入字节码及class文件，抽丝剥茧，了解Java中的语法糖原理及用法，帮助大家在学会如何使用Java语法糖的同时，了解这些语法糖背后的原理。

语法糖

语法糖（SyntacticSugar），也称糖衣语法，是由英国计算机学家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Java7开始Java语言层面上一直在添加各种糖，主要是在“ProjectCoin”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。

解语法糖

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。

糖块一、switch支持String与枚举

前面提到过，从Java7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Java7中switch开始支持String。
在开始coding之前先科普下，Java中的swith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：

publicclassswitchDemoString{
publicstaticvoidmain(String[]args){
Stringstr="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：

publicclassswitchDemoString
{
publicswitchDemoString()
{
}
publicstaticvoidmain(Stringargs[])
{
Stringstr="world";
Strings;
switch((s=str).hashCode())
{
default:
break;
case99162322:
if(s.equals("hello"))
System.out.println("hello");
break;
case113318802:
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。

糖块二、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：Codespecialization和Codesharing。

C++和C#是使用Codespecialization的处理机制，而Java使用的是Codesharing的机制。

Codesharing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（typeerasue）实现的。

Codesharing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（typeerasue）实现的。
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：

Mapmap=newHashMap();
map.put("name","hollis");
map.put("wechat","Hollis");
map.put("blog","www.hollischuang.com");

解语法糖之后会变成：

Mapmap=newHashMap();
map.put("name","hollis");
map.put("wechat","Hollis");
map.put("blog","www.hollischuang.com");

以下代码：

publicstatic>Amax(Collectionxs){
Iteratorxi=xs.iterator();
Aw=xi.next();
while(xi.hasNext()){
Ax=xi.next();
if(w.compareTo(x)<0)
w=x;
}
returnw;
}

类型擦除后会变成：

publicstaticComparablemax(Collectionxs){
Iteratorxi=xs.iterator();
Comparablew=(Comparable)xi.next();
while(xi.hasNext()){
Comparablex=(Comparable)xi.next();
if(w.compareTo(x)<0)
w=x;
}
returnw;
}

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.class或是List.class，而只有List.class。

糖块三、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：

publicstaticvoidmain(String[]args){
inti=10;
Integern=i;
}

反编译后代码如下:

publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
inti=10;
Integern=Integer.valueOf(i);
}

再来看个自动拆箱的代码：

publicstaticvoidmain(String[]args){
Integeri=10;
intn=i;
}

反编译后代码如下：

publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
Integeri=Integer.valueOf(10);
intn=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。

糖块四、方法变长参数

可变参数(variablearguments)是在Java1.5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：

publicstaticvoidmain(String[]args){
print("Holis","公众号:Hollis","博客：www.hollischuang.com","QQ：907607222");
}

publicstaticvoidprint(String...strs){
for(inti=0;i
反编译后代码：


publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
print(newString[]{
"Holis","\u516C\u4F17\u53F7:Hollis","\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com","QQ\uFF1A907607222"
});
}

publicstatictransientvoidprint(Stringstrs[]){
for(inti=0;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。


糖块五、枚举


JavaSE5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。参考：Java的枚举类型用法介绍

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：


publicenumt{
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：
publicfinalclassTextendsEnum{
privateT(Strings,inti){
super(s,i);
}
publicstaticT[]values(){
Tat[];
inti;
Tat1[];
System.arraycopy(at=ENUM$VALUES,0,at1=newT[i=at.length],0,i);
returnat1;
}

publicstaticTvalueOf(Strings){
return(T)Enum.valueOf(demo/T,s);
}

publicstaticfinalTSPRING;
publicstaticfinalTSUMMER;
privatestaticfinalTENUM$VALUES[];
static{
SPRING=newT("SPRING",0);
SUMMER=newT("SUMMER",1);
ENUM$VALUES=(newT[]{
SPRING,SUMMER
});
}
}


通过反编译后代码我们可以看到，publicfinalclassTextendsEnum，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enmu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。


糖块六、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。


publicclassOutterClass{
privateStringuserName;

publicStringgetUserName(){
returnuserName;
}

publicvoidsetUserName(StringuserName){
this.userName=userName;
}

publicstaticvoidmain(String[]args){

}

classInnerClass{
privateStringname;

publicStringgetName(){
returnname;
}

publicvoidsetName(Stringname){
this.name=name;
}
}
}


以上代码编译后会生成两个class文件：OutterClass$InnerClass.class、OutterClass.class。


当我们尝试使用jad对OutterClass.class文件进行反编译的时候，命令行会打印以下内容：



ParsingOutterClass.class...

ParsinginnerclassOutterClass$InnerClass.class...

GeneratingOutterClass.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：


publicclassOutterClass{
classInnerClass{
publicStringgetName(){
returnname;
}
publicvoidsetName(Stringname){
this.name=name;
}
privateStringname;
finalOutterClassthis$0;

InnerClass(){
this.this$0=OutterClass.this;
super();
}
}

publicOutterClass(){
}
publicStringgetUserName(){
returnuserName;
}
publicvoidsetUserName(StringuserName){
this.userName=userName;
}
publicstaticvoidmain(Stringargs1[]){
}
privateStringuserName;
}


糖块七、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：


publicclassConditionalCompilation{
publicstaticvoidmain(String[]args){
finalbooleanDEBUG=true;
if(DEBUG){
System.out.println("Hello,DEBUG!");
}

finalbooleanONLINE=false;

if(ONLINE){
System.out.println("Hello,ONLINE!");
}
}
}


反编译后代码如下：


publicclassConditionalCompilation{

publicConditionalCompilation(){
}

publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
booleanDEBUG=true;
System.out.println("Hello,DEBUG!");
booleanONLINE=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。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。


糖块八、断言


在Java中，assert关键字是从JAVASE1.4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：


publicclassAssertTest{
publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
inta=1;
intb=1;
asserta==b;
System.out.println("公众号：Hollis");
asserta!=b:"Hollis";
System.out.println("博客：www.hollischuang.com");
}
}

反编译后代码如下：


publicclassAssertTest{
publicAssertTest(){}
publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
inta=1;
intb=1;
if(!$assertionsDisabled&&a!=b)
thrownewAssertionError();
System.out.println("\u516C\u4F17\u53F7\uFF1AHollis");
if(!$assertionsDisabled&&a==b){
thrownewAssertionError("Hollis");
}else{
System.out.println("\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com");
return;
}
}
staticfinalboolean$assertionsDisabled=!com/hollis/suguar/AssertTest.desiredAssertionStatus();
}

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。


糖块九、数值字面量


在java7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：


publicclassTest{
publicstaticvoidmain(String...args){
inti=10_000;
System.out.println(i);
}
}

反编译后：


publicclassTest{
publicstaticvoidmain(String[]args){
inti=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。


糖块十、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？


publicstaticvoidmain(String...args){
String[]strs={"Hollis","公众号：Hollis","博客：www.hollischuang.com"};
for(Strings:strs){
System.out.println(s);
}
ListstrList=ImmutableList.of("Hollis","公众号：Hollis","博客：www.hollischuang.com");
for(Strings:strList){
System.out.println(s);
}
}

反编译后代码如下：


publicstatictransientvoidmain(Stringargs[]){
Stringstrs[]={
"Hollis","\u516C\u4F17\u53F7\uFF1AHollis","\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com"
};
Stringargs1[]=strs;
inti=args1.length;
for(intj=0;j
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。


糖块十一、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：


publicstaticvoidmain(String[]args){
BufferedReaderbr=null;
try{
Stringline;
br=newBufferedReader(newFileReader("d:\\hollischuang.xml"));
while((line=br.readLine())!=null){
System.out.println(line);
}
}catch(IOExceptione){
//handleexception
}finally{
try{
if(br!=null){
br.close();
}
}catch(IOExceptionex){
//handleexception
}
}
}

从Java7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：


publicstaticvoidmain(String...args){
try(BufferedReaderbr=newBufferedReader(newFileReader("d:\\hollischuang.xml"))){
Stringline;
while((line=br.readLine())!=null){
System.out.println(line);
}
}catch(IOExceptione){
//handleexception
}
}

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。


反编译以上代码，看下他的背后原理：


publicstatictransientvoidmain(Stringargs[])
{
BufferedReaderbr;
Throwablethrowable;
br=newBufferedReader(newFileReader("d:\\hollischuang.xml"));
throwable=null;
Stringline;
try
{
while((line=br.readLine())!=null)
System.out.println(line);
}
catch(Throwablethrowable2)
{
throwable=throwable2;
throwthrowable2;
}
if(br!=null)
if(throwable!=null)
try
{
br.close();
}
catch(Throwablethrowable1)
{
throwable.addSuppressed(throwable1);
}
else
br.close();
breakMISSING_BLOCK_LABEL_113;
Exceptionexception;
exception;
if(br!=null)
if(throwable!=null)
try
{
br.close();
}
catch(Throwablethrowable3)
{
throwable.addSuppressed(throwable3);
}
else
br.close();
throwexception;
IOExceptionioexception;
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。


糖块十二、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：


publicstaticvoidmain(String...args){
ListstrList=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:


publicstatic/*varargs*/voidmain(String...args){
ImmutableListstrList=ImmutableList.of((Object)"Hollis",(Object)"\u516c\u4f17\u53f7\uff1aHollis",(Object)"\u535a\u5ba2\uff1awww.hollischuang.com");
strList.forEach((Consumer)LambdaMetafactory.metafactory(null,null,null,(Ljava/lang/Object;)V,lambda$main$0(java.lang.String),(Ljava/lang/String;)V)());
}

privatestatic/*synthetic*/voidlambda$main$0(Strings){
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：


publicstaticvoidmain(String...args){
ListstrList=ImmutableList.of("Hollis","公众号：Hollis","博客：www.hollischuang.com");

ListHollisList=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：


publicstatic/*varargs*/voidmain(String...args){
ImmutableListstrList=ImmutableList.of((Object)"Hollis",(Object)"\u516c\u4f17\u53f7\uff1aHollis",(Object)"\u535a\u5ba2\uff1awww.hollischuang.com");
List

不了解这12个语法糖，别说你会Java

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