Java编译器对字节码的优化

作者: 我可能是个假开发 | 来源:发表于2024-01-06 14:15 被阅读0次

一、编译期处理

语法糖，是指 java 编译器把 *.java 源码编译为 *.class 字节码的过程中，自动生成和转换的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是 java 编译器给我们的一个额外福利

编译器转换的结果直接就是 class 字节码。
为了便于阅读，使用几乎等价的 java 源码方式，并不是编译器还会转换出中间的 java 源码。

二、默认构造器

public class Candy1 {
}

public class Candy {
    // 这个无参构造是编译器帮助我们加上的
    public Candy() {
      // 即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object."<init>":()V
      super();
    }
}

三、自动拆装箱

这个特性是 JDK 5 开始加入的：

public class Candy2 {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = 1;
        int y = x;
    }
}

这段代码在 JDK 5 之前是无法编译通过的，必须改写为

public class Candy2 {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = Integer.valueOf(1);
        int y = x.intValue();
    }
}

显然之前版本的代码太麻烦了，需要在基本类型和包装类型之间来回转换（尤其是集合类中操作的都是包装类型），因此这些转换的事情在 JDK 5 以后都由编译器在编译阶段完成。即代码片段1 都会在编译阶段被转换为代码片段2

四、泛型集合取值

泛型也是在 JDK 5 开始加入的特性，但 java 在编译泛型代码后会执行泛型擦除的动作，即泛型信息在编译为字节码之后就丢失了，实际的类型都当做了 Object 类型来处理：

public class Candy3 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(10); // 实际调用的是 List.add(Object e)
        Integer x = list.get(0); // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index);

所以在取值时，编译器真正生成的字节码中，还要额外做一个类型转换的操作：

// 需要将 Object 转为 Integer
Integer x = (Integer)list.get(0);

如果前面的 x 变量类型修改为 int 基本类型那么最终生成的字节码是：

// 需要将 Object 转为 Integer, 并执行拆箱操作
int x = ((Integer)list.get(0)).intValue();

擦除的是字节码上的泛型信息，LocalVariableTypeTable 仍然保留了方法参数泛型的信息

LocalVariableTypeTable:
Start Length Slot Name Signature
8        24    1  list   Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;

使用反射，仍然能够获得这些信息：

public class Candy3 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(10); // 实际调用的是 List.add(Object e)
        Integer x = list.get(0); // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index);

        Method test = Candy3.class.getMethod("test", List.class, Map.class);
        Type[] types = test.getGenericParameterTypes();
        for (Type type : types) {
            if (type instanceof ParameterizedType) {
                ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;
                System.out.println("原始类型 - " + parameterizedType.getRawType());
                Type[] arguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
                for (int i = 0; i < arguments.length; i++) {
                    System.out.printf("泛型参数[%d] - %s\n", i, arguments[i]);
                }
            }

        }

    }

    public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) {
        return null;
    }
}

原始类型 - interface java.util.List
泛型参数[0] - class java.lang.String
原始类型 - interface java.util.Map
泛型参数[0] - class java.lang.Integer
泛型参数[1] - class java.lang.Object

五、可变参数

可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性：

public class Candy4 {
    public static void foo(String... args) {
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }
    public static void main(String[] args) {
        foo("hello", "world");
    }
}

可变参数 String... args 其实是一个 String[] args ，从代码中的赋值语句中就可以看出来。
同样 java 编译器会在编译期间将上述代码变换为：

public class Candy4 {
    public static void foo(String[] args) {
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }
    public static void main(String[] args) {
        foo("hello", "world");
    }
}

如果调用了 foo() 则等价代码为 foo(new String[]{}) ，创建了一个空的数组，而不会传递null 进去

六、 foreach 循环

JDK 5 开始引入的语法糖，数组的循环：

public class Candy5_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5}; // 数组赋初值的简化写法也是语法糖
        for (int e : array) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

会被编译器转换为：

public class Candy5_1 {
    public Candy5_1() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
        int[] var2 = array;
        int var3 = array.length;

        for(int var4 = 0; var4 < var3; ++var4) {
            int e = var2[var4];
            System.out.println(e);
        }

    }
}

集合的循环：

public class Candy5_2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        for (Integer i : list) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

实际被编译器转换为对迭代器的调用：

public class Candy5_2 {
    public Candy5_2() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        Iterator var2 = list.iterator();

        while(var2.hasNext()) {
            Integer i = (Integer)var2.next();
            System.out.println(i);
        }

    }
}

foreach 循环写法，能够配合数组，以及所有实现了 Iterable 接口的集合类一起使用，其中Iterable 用来获取集合的迭代器（ Iterator ）

七、switch 字符串

从 JDK 7 开始，switch 可以作用于字符串和枚举类，这个功能其实也是语法糖，例如：

public class Candy {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "world": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

会被编译器转换为：

public class Candy {
    public Candy() {
    }

    public static void choose(String str) {
        byte var2 = -1;
        switch(str.hashCode()) {
        case 99162322: // hello 的 hashCode
            if (str.equals("hello")) {
                var2 = 0;
            }
            break;
        case 113318802: // world 的 hashCode
            if (str.equals("world")) {
                var2 = 1;
            }
        }

        switch(var2) {
        case 0:
            System.out.println("h");
            break;
        case 1:
            System.out.println("w");
        }

    }

可以看到，执行了两遍 switch，第一遍是根据字符串的 hashCode 和 equals 将字符串的转换为相应byte 类型，第二遍才是利用 byte 执行进行比较。

第一遍时必须既比较 hashCode，又利用 equals 比较:
hashCode 是为了提高效率，减少可能的比较；而 equals 是为了防止 hashCode 冲突，例如 BM 和 C. 这两个字符串的hashCode值都是2123 ，如果有如下代码：

public class Candy {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "BM": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "C.": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }

编译后：

public class Candy {
    public Candy() {
    }

    public static void choose(String str) {
        byte var2 = -1;
        switch(str.hashCode()) {
        case 2123:  // hashCode 值可能相同，需要进一步用 equals 比较
            if (str.equals("C.")) {
                var2 = 1;
            } else if (str.equals("BM")) {
                var2 = 0;
            }
        default:
            switch(var2) {
            case 0:
                System.out.println("h");
                break;
            case 1:
                System.out.println("w");
            }

        }
    }

switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为null

八、switch 枚举

enum Sex {
    MALE, FEMALE;
}
public class Candy {
    public static void foo(Sex sex) {
        switch (sex) {
            case MALE:
                System.out.println("男"); break;
            case FEMALE:
                System.out.println("女"); break;
        }
    }
}

转换后代码：

public class Candy {
    /**
     * 定义一个合成类（仅 jvm 使用，对我们不可见）
     * 用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系
     * 枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始
     * 即 MALE 的 ordinal()=0，FEMALE 的 ordinal()=1
     */
    static class $MAP {
        // 数组大小即为枚举元素个数，里面存储case用来对比的数字
        static int[] map = new int[2];
        static {
            map[Sex.MALE.ordinal()] = 1;
            map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 2;
        }
    }
    public static void foo(Sex sex) {
        int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
        switch (x) {
            case 1:
                System.out.println("男");
                break;
            case 2:
                System.out.println("女");
                break;
        }
    }
}

九、枚举类

JDK 7 新增了枚举类，以前面的性别枚举为例：

enum Sex {
    MALE, FEMALE
}

转换后代码:

public final class Sex extends Enum<Sex> {
    public static final Sex MALE;
    public static final Sex FEMALE;
    private static final Sex[] $VALUES;
    static {
        MALE = new Sex("MALE", 0);
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};
    } 
    /**
            * Sole constructor. Programmers cannot invoke this constructor.
* It is for use by code emitted by the compiler in response to
* enum type declarations.
            * *
    @param name - The name of this enum constant, which is the identifier
* used to declare it.
            * @param ordinal - The ordinal of this enumeration constant (its position
* in the enum declaration, where the initial constant is assigned
                                                                                 */
private Sex(String name, int ordinal) {
        super(name, ordinal);
    } 
    public static Sex[] values() {
        return $VALUES.clone();
    } 
    public static Sex valueOf(String name) {
        return Enum.valueOf(Sex.class, name);
    }
}

十、try-with-resources

JDK 7 开始新增了对需要关闭的资源处理的特殊语法 try-with-resources：

try(资源变量 = 创建资源对象){

} catch( ) {
}

其中资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如 InputStream 、 OutputStream 、Connection 、 Statement 、 ResultSet 等接口都实现了 AutoCloseable ，使用 try-withresources 可以不用写 finally 语句块，编译器会帮助生成关闭资源代码:

public class Candy {
    public static void main(String[] args) {
        try(InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt")) {
            System.out.println(is);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Candy9 {
    public Candy9() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt");
            Throwable var2 = null;

            try {
                System.out.println(is);
            } catch (Throwable var12) {
              //我们代码出现的异常
                var2 = var12;
                throw var12;
            } finally {
                // 判断了资源不为空
                if (is != null) {
                    // 如果我们代码有异常
                    if (var2 != null) {
                        try {
                            is.close();
                        } catch (Throwable var11) {
                            // 如果 close 出现异常，作为被压制异常添加
                            var2.addSuppressed(var11);
                        }
                    } else {
                        // 如果我们代码没有异常，close 出现的异常就是最后 catch 块中的 e
                        is.close();
                    }
                }

            }
        } catch (IOException var14) {
            var14.printStackTrace();
        }

    }
}

设计一个 addSuppressed(Throwable e) （添加被压制异常）的方法，是为了防止异常信息的丢失（想想 try-with-resources 生成的 fianlly 中如果抛出了异常）：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        try (MyResource resource = new MyResource()) {
            int i = 1 / 0;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class MyResource implements AutoCloseable {
    public void close() throws Exception {
        throw new Exception("close 异常");
    }
}

java.lang.ArithmeticException: / by zero
    at jvm.candy.Test.main(Test.java:6)
    Suppressed: java.lang.Exception: close 异常
        at jvm.candy.MyResource.close(Test.java:15)
        at jvm.candy.Test.main(Test.java:7)

以上代码所示，两个异常信息都不会丢

十一、方法重写时的桥接方法

方法重写时对返回值分两种情况：

父子类的返回值完全一致
子类返回值可以是父类返回值的子类

class A {
    public Number m() {
        return 1;
    }
}

class B extends A {
    @Override
    // 子类 m 方法的返回值是 Integer 是父类 m 方法返回值 Number 的子类
    public Integer m() {
        return 2;
    }
}

对于子类，java 编译器会做如下处理：

class B extends A {
    public Integer m() {
        return 2;
    }

    // 此方法才是真正重写了父类 public Number m() 方法
    public synthetic bridge

    Number m() {
        // 调用 public Integer m()
        return m();
    }
}

其中桥接方法比较特殊，仅对 java 虚拟机可见，并且与原来的 public Integer m() 没有命名冲突，可以用下面反射代码来验证：

for (Method m : B.class.getDeclaredMethods()) {
  System.out.println(m);
}

public java.lang.Integer test.candy.B.m()
public java.lang.Number test.candy.B.m()

十二、匿名内部类

public class Candy {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok");
            }
        };
    }
}

转换后:

// 额外生成的类
final class Candy$1 implements Runnable {
    Candy$1() {
    }
    public void run() {
        System.out.println("ok");
    }
}
public class Candy {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Candy$1();
    }
}

引用局部变量的匿名内部类，源代码：

public class Candy {
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok:" + x);
            }
        };
    }
}

转换后

// 额外生成的类
final class Candy$1 implements Runnable {
    int val$x;
    Candy$1(int x) {
        this.val$x = x;
    }
    public void run() {
        System.out.println("ok:" + this.val$x);
    }
}
public class Candy {
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Candy$(x);
    }
}

注意：为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须是 final 的：
因为在创建Candy $1 对象时，将 x 的值赋值给了 Candy$ 1 对象的 val $x 属性，所以 x 不应该再发生变化了，如果变化，那么 val$ x 属性没有机会再跟着一起变化

Java编译器对字节码的优化

一、编译期处理

二、默认构造器

三、自动拆装箱

四、泛型集合取值

五、可变参数

六、 foreach 循环

七、switch 字符串

八、switch 枚举

九、枚举类

十、try-with-resources

十一、方法重写时的桥接方法

十二、匿名内部类

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