本文從 Java 編譯原理角度，深入字節碼及 class 文件，抽絲剝繭，了解 Java 中的語法糖原理及用法，幫助大家在學會如何使用 Java 語法糖的同時，了解這些語法糖背後的原理
語法糖語法糖（Syntactic Sugar），也稱糖衣語法，是由英國計算機學家 Peter.J.Landin 發明的一個術語，指在計算機語言中添加的某種語法，這種語法對語言的功能並沒有影響，但是更方便程式設計師使用。簡而言之，語法糖讓程序更加簡潔，有更高的可讀性。
有意思的是，在編程領域，除了語法糖，還有語法鹽和語法糖精的說法，篇幅有限這裡不做擴展了。
我們所熟知的程式語言中幾乎都有語法糖。作者認為，語法糖的多少是評判一個語言夠不夠牛逼的標準之一。
很多人說Java是一個「低糖語言」，其實從Java 7開始Java語言層面上一直在添加各種糖，主要是在「Project Coin」項目下研發。儘管現在Java有人還是認為現在的Java是低糖，未來還會持續向著「高糖」的方向發展。
解語法糖前面提到過，語法糖的存在主要是方便開發人員使用。但其實，Java虛擬機並不支持這些語法糖。這些語法糖在編譯階段就會被還原成簡單的基礎語法結構，這個過程就是解語法糖。
說到編譯，大家肯定都知道，Java語言中，javac命令可以將後綴名為.java的源文件編譯為後綴名為.class的可以運行於Java虛擬機的字節碼。
如果你去看com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler的源碼，你會發現在compile()中有一個步驟就是調用desugar()，這個方法就是負責解語法糖的實現的。
Java 中最常用的語法糖主要有泛型、變長參數、條件編譯、自動拆裝箱、內部類等。本文主要來分析下這些語法糖背後的原理。一步一步剝去糖衣，看看其本質。
糖塊一、 switch 支持 String 與枚舉前面提到過，從Java 7 開始，Java語言中的語法糖在逐漸豐富，其中一個比較重要的就是Java 7中switch開始支持String。
在開始coding之前先科普下，Java中的swith自身原本就支持基本類型。比如int、char等。
對於int類型，直接進行數值的比較。對於char類型則是比較其ascii碼。
所以，對於編譯器來說，switch中其實只能使用整型，任何類型的比較都要轉換成整型。比如byte。short，char(ackii碼是整型)以及int。
那麼接下來看下switch對String得支持，有以下代碼：
public class switchDemoString {
public static void main(String[] args) {
String str = "world";
switch (str) {
case "hello":
System.out.println("hello");
break;
case "world":
System.out.println("world");
break;
default:
break;
}
}
}
反編譯後內容如下：
public class switchDemoString
{
public switchDemoString()
{
}
public static void main(String args[])
{
String str = "world";
String s;
switch((s = str).hashCode())
{
default:
break;
case 99162322:
if(s.equals("hello"))
System.out.println("hello");
break;
case 113318802:
if(s.equals("world"))
System.out.println("world");
break;
}
}
}
看到這個代碼，你知道原來字符串的switch是通過equals()和hashCode()方法來實現的。還好hashCode()方法返回的是int，而不是long。
仔細看下可以發現，進行switch的實際是哈希值，然後通過使用equals方法比較進行安全檢查，這個檢查是必要的，因為哈希可能會發生碰撞。因此它的性能是不如使用枚舉進行switch或者使用純整數常量，但這也不是很差。
糖塊二、 泛型我們都知道，很多語言都是支持泛型的，但是很多人不知道的是，不同的編譯器對於泛型的處理方式是不同的。
通常情況下，一個編譯器處理泛型有兩種方式：Code specialization和Code sharing。
C++和C#是使用Code specialization的處理機制，而Java使用的是Code sharing的機制。
Code sharing方式為每個泛型類型創建唯一的字節碼表示，並且將該泛型類型的實例都映射到這個唯一的字節碼表示上。將多種泛型類形實例映射到唯一的字節碼表示是通過類型擦除（type erasue）實現的。
也就是說，對於Java虛擬機來說，他根本不認識Map<String, String> map這樣的語法。需要在編譯階段通過類型擦除的方式進行解語法糖。
類型擦除的主要過程如下：
以下代碼：
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>();
map.put("name", "hollis");
map.put("wechat", "Hollis");
map.put("blog", "www.hollischuang.com");
解語法糖之後會變成：
Map map = new HashMap();
map.put("name", "hollis");
map.put("wechat", "Hollis");
map.put("blog", "www.hollischuang.com");
以下代碼：
public static <A extends Comparable<A>> A max(Collection<A> xs) {
Iterator<A> xi = xs.iterator();
A w = xi.next();
while (xi.hasNext()) {
A x = xi.next();
if (w.compareTo(x) < 0)
w = x;
}
return w;
}
類型擦除後會變成：
public static Comparable max(Collection xs){
Iterator xi = xs.iterator();
Comparable w = (Comparable)xi.next();
while(xi.hasNext())
{
Comparable x = (Comparable)xi.next();
if(w.compareTo(x) < 0)
w = x;
}
return w;
}
虛擬機中沒有泛型，只有普通類和普通方法，所有泛型類的類型參數在編譯時都會被擦除，泛型類並沒有自己獨有的Class類對象。比如並不存在List<String>.class或是List<Integer>.class，而只有List.class。
糖塊三、 自動裝箱與拆箱自動裝箱就是Java自動將原始類型值轉換成對應的對象，比如將int的變量轉換成Integer對象，這個過程叫做裝箱，反之將Integer對象轉換成int類型值，這個過程叫做拆箱。參考：一文讀懂什麼是Java中的自動拆裝箱
因為這裡的裝箱和拆箱是自動進行的非人為轉換，所以就稱作為自動裝箱和拆箱。
原始類型byte, short, char, int, long, float, double 和 boolean 對應的封裝類為Byte, Short, Character, Integer, Long, Float, Double, Boolean。
先來看個自動裝箱的代碼：
public static void main(String[] args) {
int i = 10;
Integer n = i;
}
反編譯後代碼如下:
public static void main(String args[])
{
int i = 10;
Integer n = Integer.valueOf(i);
}
再來看個自動拆箱的代碼：
public static void main(String[] args) {
Integer i = 10;
int n = i;
}
反編譯後代碼如下：
public static void main(String args[])
{
Integer i = Integer.valueOf(10);
int n = i.intValue();
}
從反編譯得到內容可以看出，在裝箱的時候自動調用的是Integer的valueOf(int)方法。而在拆箱的時候自動調用的是Integer的intValue方法。
所以，裝箱過程是通過調用包裝器的valueOf方法實現的，而拆箱過程是通過調用包裝器的 xxxValue方法實現的。
糖塊四 、 方法變長參數可變參數(variable arguments)是在Java 1.5中引入的一個特性。它允許一個方法把任意數量的值作為參數。
看下以下可變參數代碼，其中print方法接收可變參數：
public static void main(String[] args)
{
print("Holis", "公眾號:Hollis", "博客：www.hollischuang.com", "QQ：907607222");
}
public static void print(String... strs)
{
for (int i = 0; i < strs.length; i++)
{
System.out.println(strs[i]);
}
}
反編譯後代碼：
public static void main(String args[])
{
print(new String[] {
"Holis", "\u516C\u4F17\u53F7:Hollis", "\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com", "QQ\uFF1A907607222"
});
}
public static transient void print(String strs[])
{
for(int i = 0; i < strs.length; i++)
System.out.println(strs[i]);
}
從反編譯後代碼可以看出，可變參數在被使用的時候，他首先會創建一個數組，數組的長度就是調用該方法是傳遞的實參的個數，然後再把參數值全部放到這個數組當中，然後再把這個數組作為參數傳遞到被調用的方法中。
糖塊五 、 枚舉Java SE5提供了一種新的類型-Java的枚舉類型，關鍵字enum可以將一組具名的值的有限集合創建為一種新的類型，而這些具名的值可以作為常規的程序組件使用，這是一種非常有用的功能。參考：Java的枚舉類型用法介紹
要想看源碼，首先得有一個類吧，那麼枚舉類型到底是什麼類呢？是enum嗎？
答案很明顯不是，enum就和class一樣，只是一個關鍵字，他並不是一個類。
那麼枚舉是由什麼類維護的呢，我們簡單的寫一個枚舉：
public enum t {
SPRING,SUMMER;
}
然後我們使用反編譯，看看這段代碼到底是怎麼實現的，反編譯後代碼內容如下：
public final class T extends Enum
{
private T(String s, int i)
{
super(s, i);
}
public static T[] values()
{
T at[];
int i;
T at1[];
System.arraycopy(at = ENUM$VALUES, 0, at1 = new T[i = at.length], 0, i);
return at1;
}
public static T valueOf(String s)
{
return (T)Enum.valueOf(demo/T, s);
}
public static final T SPRING;
public static final T SUMMER;
private static final T ENUM$VALUES[];
static
{
SPRING = new T("SPRING", 0);
SUMMER = new T("SUMMER", 1);
ENUM$VALUES = (new T[] {
SPRING, SUMMER
});
}
}
通過反編譯後代碼我們可以看到，public final class T extends Enum，說明，該類是繼承了Enum類的，同時final關鍵字告訴我們，這個類也是不能被繼承的。
當我們使用enmu來定義一個枚舉類型的時候，編譯器會自動幫我們創建一個final類型的類繼承Enum類，所以枚舉類型不能被繼承。
糖塊六 、 內部類內部類又稱為嵌套類，可以把內部類理解為外部類的一個普通成員。
內部類之所以也是語法糖，是因為它僅僅是一個編譯時的概念。
outer.java裡面定義了一個內部類inner，一旦編譯成功，就會生成兩個完全不同的.class文件了，分別是outer.class和outer$inner.class。所以內部類的名字完全可以和它的外部類名字相同。
public class OutterClass {
private String userName;
public String getUserName() {
return userName;
}
public void setUserName(String userName) {
this.userName = userName;
}
public static void main(String[] args) {
}
class InnerClass{
private String name;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
}
以上代碼編譯後會生成兩個class文件：OutterClass$InnerClass.class 、OutterClass.class 。
當我們嘗試使用jad對OutterClass.class文件進行反編譯的時候，命令行會列印以下內容：
Parsing OutterClass.class...
Parsing inner class OutterClass$InnerClass.class...
Generating OutterClass.jad
他會把兩個文件全部進行反編譯，然後一起生成一個OutterClass.jad文件。文件內容如下：
public class OutterClass
{
class InnerClass
{
public String getName()
{
return name;
}
public void setName(String name)
{
this.name = name;
}
private String name;
final OutterClass this$0;
InnerClass()
{
this.this$0 = OutterClass.this;
super();
}
}
public OutterClass()
{
}
public String getUserName()
{
return userName;
}
public void setUserName(String userName){
this.userName = userName;
}
public static void main(String args1[])
{
}
private String userName;
}
—般情況下，程序中的每一行代碼都要參加編譯。但有時候出於對程序代碼優化的考慮，希望只對其中一部分內容進行編譯，此時就需要在程序中加上條件，讓編譯器只對滿足條件的代碼進行編譯，將不滿足條件的代碼捨棄，這就是條件編譯。
如在C或CPP中，可以通過預處理語句來實現條件編譯。其實在Java中也可實現條件編譯。我們先來看一段代碼：
public class ConditionalCompilation {
public static void main(String[] args) {
final boolean DEBUG = true;
if(DEBUG) {
System.out.println("Hello, DEBUG!");
}
final boolean ONLINE = false;
if(ONLINE){
System.out.println("Hello, ONLINE!");
}
}
}
反編譯後代碼如下：
public class ConditionalCompilation
{
public ConditionalCompilation()
{
}
public static void main(String args[])
{
boolean DEBUG = true;
System.out.println("Hello, DEBUG!");
boolean ONLINE = false;
}
}
首先，我們發現，在反編譯後的代碼中沒有System.out.println("Hello, ONLINE!");，這其實就是條件編譯。
當if(ONLINE)為false的時候，編譯器就沒有對其內的代碼進行編譯。
所以，Java語法的條件編譯，是通過判斷條件為常量的if語句實現的。根據if判斷條件的真假，編譯器直接把分支為false的代碼塊消除。通過該方式實現的條件編譯，必須在方法體內實現，而無法在正整個Java類的結構或者類的屬性上進行條件編譯。
這與C/C++的條件編譯相比，確實更有局限性。在Java語言設計之初並沒有引入條件編譯的功能，雖有局限，但是總比沒有更強。
糖塊八 、 斷言在Java中，assert關鍵字是從JAVA SE 1.4 引入的，為了避免和老版本的Java代碼中使用了assert關鍵字導致錯誤，Java在執行的時候默認是不啟動斷言檢查的（這個時候，所有的斷言語句都將忽略！）。
如果要開啟斷言檢查，則需要用開關-enableassertions或-ea來開啟。
看一段包含斷言的代碼：
public class AssertTest {
public static void main(String args[]) {
int a = 1;
int b = 1;
assert a == b;
System.out.println("公眾號：Hollis");
assert a != b : "Hollis";
System.out.println("博客：www.hollischuang.com");
}
}
反編譯後代碼如下：
public class AssertTest {
public AssertTest()
{
}
public static void main(String args[])
{
int a = 1;
int b = 1;
if(!$assertionsDisabled && a != b)
throw new AssertionError();
System.out.println("\u516C\u4F17\u53F7\uFF1AHollis");
if(!$assertionsDisabled && a == b)
{
throw new AssertionError("Hollis");
} else
{
System.out.println("\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com");
return;
}
}
static final boolean $assertionsDisabled = !com/hollis/suguar/AssertTest.desiredAssertionStatus();
}
很明顯，反編譯之後的代碼要比我們自己的代碼複雜的多。所以，使用了assert這個語法糖我們節省了很多代碼。
其實斷言的底層實現就是if語言，如果斷言結果為true，則什麼都不做，程序繼續執行，如果斷言結果為false，則程序拋出AssertError來打斷程序的執行。
-enableassertions會設置$assertionsDisabled欄位的值。
糖塊九 、 數值字面量在java 7中，數值字面量，不管是整數還是浮點數，都允許在數字之間插入任意多個下劃線。這些下劃線不會對字面量的數值產生影響，目的就是方便閱讀。
比如：
public class Test {
public static void main(String... args) {
int i = 10_000;
System.out.println(i);
}
}
反編譯後：
public class Test
{
public static void main(String[] args)
{
int i = 10000;
System.out.println(i);
}
}
反編譯後就是把_刪除了。也就是說編譯器並不認識在數字字面量中的_，需要在編譯階段把他去掉。
糖塊十 、 for-each增強for循環（for-each）相信大家都不陌生，日常開發經常會用到的，他會比for循環要少寫很多代碼，那麼這個語法糖背後是如何實現的呢？
public static void main(String... args) {
String[] strs = {"Hollis", "公眾號：Hollis", "博客：www.hollischuang.com"};
for (String s : strs) {
System.out.println(s);
}
List<String> strList = ImmutableList.of("Hollis", "公眾號：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
for (String s : strList) {
System.out.println(s);
}
}
反編譯後代碼如下：
public static transient void main(String args[])
{
String strs[] = {
"Hollis", "\u516C\u4F17\u53F7\uFF1AHollis", "\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com"
};
String args1[] = strs;
int i = args1.length;
for(int j = 0; j < i; j++)
{
String s = args1[j];
System.out.println(s);
}
List strList = ImmutableList.of("Hollis", "\u516C\u4F17\u53F7\uFF1AHollis", "\u535A\u5BA2\uFF1Awww.hollischuang.com");
String s;
for(Iterator iterator = strList.iterator(); iterator.hasNext(); System.out.println(s))
s = (String)iterator.next();
}
代碼很簡單，for-each的實現原理其實就是使用了普通的for循環和迭代器。
糖塊十一 、 try-with-resourceJava裡，對於文件操作IO流、資料庫連接等開銷非常昂貴的資源，用完之後必須及時通過close方法將其關閉，否則資源會一直處於打開狀態，可能會導致內存洩露等問題。
關閉資源的常用方式就是在finally塊裡是釋放，即調用close方法。比如，我們經常會寫這樣的代碼：
public static void main(String[] args) {
BufferedReader br = null;
try {
String line;
br = new BufferedReader(new FileReader("d:\\hollischuang.xml"));
while ((line = br.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
} catch (IOException e) {
// handle exception
} finally {
try {
if (br != null) {
br.close();
}
} catch (IOException ex) {
// handle exception
}
}
}
從Java 7開始，jdk提供了一種更好的方式關閉資源，使用try-with-resources語句，改寫一下上面的代碼，效果如下：
public static void main(String... args) {
try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("d:\\ hollischuang.xml"))) {
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
} catch (IOException e) {
// handle exception
}
}
看，這簡直是一大福音啊，雖然我之前一般使用IOUtils去關閉流，並不會使用在finally中寫很多代碼的方式，但是這種新的語法糖看上去好像優雅很多呢。
反編譯以上代碼，看下他的背後原理：
public static transient void main(String args[])
{
BufferedReader br;
Throwable throwable;
br = new BufferedReader(new FileReader("d:\\ hollischuang.xml"));
throwable = null;
String line;
try
{
while((line = br.readLine()) != null)
System.out.println(line);
}
catch(Throwable throwable2)
{
throwable = throwable2;
throw throwable2;
}
if(br != null)
if(throwable != null)
try
{
br.close();
}
catch(Throwable throwable1)
{
throwable.addSuppressed(throwable1);
}
else
br.close();
break MISSING_BLOCK_LABEL_113;
Exception exception;
exception;
if(br != null)
if(throwable != null)
try
{
br.close();
}
catch(Throwable throwable3)
{
throwable.addSuppressed(throwable3);
}
else
br.close();
throw exception;
IOException ioexception;
ioexception;
}
}
其實背後的原理也很簡單，那些我們沒有做的關閉資源的操作，編譯器都幫我們做了。
所以，再次印證了，語法糖的作用就是方便程式設計師的使用，但最終還是要轉成編譯器認識的語言。
糖塊十二、Lambda表達式關於lambda表達式，有人可能會有質疑，因為網上有人說他並不是語法糖。其實我想糾正下這個說法。
Labmda表達式不是匿名內部類的語法糖，但是他也是一個語法糖。實現方式其實是依賴了幾個JVM底層提供的lambda相關api。
先來看一個簡單的lambda表達式。遍歷一個list：
public static void main(String... args) {
List<String> strList = ImmutableList.of("Hollis", "公眾號：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
strList.forEach( s -> { System.out.println(s); } );
}
為啥說他並不是內部類的語法糖呢，前面講內部類我們說過，內部類在編譯之後會有兩個class文件，但是，包含lambda表達式的類編譯後只有一個文件。
反編譯後代碼如下:
public static /* varargs */ void main(String ... args) {
ImmutableList strList = ImmutableList.of((Object)"Hollis", (Object)"\u516c\u4f17\u53f7\uff1aHollis", (Object)"\u535a\u5ba2\uff1awww.hollischuang.com");
strList.forEach((Consumer<String>)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)V, lambda$main$0(java.lang.String ), (Ljava/lang/String;)V)());
}
private static /* synthetic */ void lambda$main$0(String s) {
System.out.println(s);
}
可以看到，在forEach方法中，其實是調用了java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metafactory方法，該方法的第四個參數implMethod指定了方法實現。可以看到這裡其實是調用了一個lambda$main$0方法進行了輸出。
再來看一個稍微複雜一點的，先對List進行過濾，然後再輸出：
public static void main(String... args) {
List<String> strList = ImmutableList.of("Hollis", "公眾號：Hollis", "博客：www.hollischuang.com");
List HollisList = strList.stream().filter(string -> string.contains("Hollis")).collect(Collectors.toList());
HollisList.forEach( s -> { System.out.println(s); } );
}
反編譯後代碼如下：
public static /* varargs */ void main(String ... args) {
ImmutableList strList = ImmutableList.of((Object)"Hollis", (Object)"\u516c\u4f17\u53f7\uff1aHollis", (Object)"\u535a\u5ba2\uff1awww.hollischuang.com");
List<Object> HollisList = strList.stream().filter((Predicate<String>)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)Z, lambda$main$0(java.lang.String ), (Ljava/lang/String;)Z)()).collect(Collectors.toList());
HollisList.forEach((Consumer<Object>)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)V, lambda$main$1(java.lang.Object ), (Ljava/lang/Object;)V)());
}
private static /* synthetic */ void lambda$main$1(Object s) {
System.out.println(s);
}
private static /* synthetic */ boolean lambda$main$0(String string) {
return string.contains("Hollis");
}
兩個lambda表達式分別調用了lambda$main$1和lambda$main$0兩個方法。
所以，lambda表達式的實現其實是依賴了一些底層的api，在編譯階段，編譯器會把lambda表達式進行解糖，轉換成調用內部api的方式。
可能遇到的坑泛型——當泛型遇到重載public class GenericTypes {
public static void method(List<String> list) {
System.out.println("invoke method(List<String> list)");
}
public static void method(List<Integer> list) {
System.out.println("invoke method(List<Integer> list)");
}
}
上面這段代碼，有兩個重載的函數，因為他們的參數類型不同，一個是List另一個是List，但是，這段代碼是編譯通不過的。因為我們前面講過，參數List和List編譯之後都被擦除了，變成了一樣的原生類型List，擦除動作導致這兩個方法的特徵籤名變得一模一樣。
泛型——當泛型遇到catch泛型的類型參數不能用在Java異常處理的catch語句中。因為異常處理是由JVM在運行時刻來進行的。由於類型信息被擦除，JVM是無法區分兩個異常類型MyException<String>和MyException<Integer>的
泛型——當泛型內包含靜態變量public class StaticTest{
public static void main(String[] args){
GT<Integer> gti = new GT<Integer>();
gti.var=1;
GT<String> gts = new GT<String>();
gts.var=2;
System.out.println(gti.var);
}
}
class GT<T>{
public static int var=0;
public void nothing(T x){}
}
以上代碼輸出結果為：2！由於經過類型擦除，所有的泛型類實例都關聯到同一份字節碼上，泛型類的所有靜態變量是共享的。
自動裝箱與拆箱——對象相等比較public static void main(String[] args) {
Integer a = 1000;
Integer b = 1000;
Integer c = 100;
Integer d = 100;
System.out.println("a == b is " + (a == b));
System.out.println(("c == d is " + (c == d)));
}
輸出結果：
a == b is false
c == d is true
在Java 5中，在Integer的操作上引入了一個新功能來節省內存和提高性能。整型對象通過使用相同的對象引用實現了緩存和重用。
適用於整數值區間-128 至 +127。
只適用於自動裝箱。使用構造函數創建對象不適用。
增強for循環for (Student stu : students) {
if (stu.getId() == 2)
students.remove(stu);
}
會拋出ConcurrentModificationException異常。
Iterator是工作在一個獨立的線程中，並且擁有一個 mutex 鎖。 Iterator被創建之後會建立一個指向原來對象的單鏈索引表，當原來的對象數量發生變化時，這個索引表的內容不會同步改變，所以當索引指針往後移動的時候就找不到要迭代的對象，所以按照 fail-fast 原則 Iterator 會馬上拋出java.util.ConcurrentModificationException異常。參考：一不小心就讓Java開發者踩坑的fail-fast是個什麼鬼？
所以 Iterator 在工作的時候是不允許被迭代的對象被改變的。但你可以使用 Iterator 本身的方法remove()來刪除對象，Iterator.remove() 方法會在刪除當前迭代對象的同時維護索引的一致性。
總結前面介紹了12種Java中常用的語法糖。所謂語法糖就是提供給開發人員便於開發的一種語法而已。
但是這種語法只有開發人員認識。要想被執行，需要進行解糖，即轉成JVM認識的語法。
當我們把語法糖解糖之後，你就會發現其實我們日常使用的這些方便的語法，其實都是一些其他更簡單的語法構成的。
有了這些語法糖，我們在日常開發的時候可以大大提升效率，但是同時也要避免過渡使用。使用之前最好了解下原理，避免掉坑。