Java 8 開(kāi)始出現(xiàn)，帶來(lái)一個(gè)全新特性：使用 Lambda 表達(dá)式 (JSR-335) 進(jìn)行函數(shù)式編程。今天我們要討論的是 Lambda 的其中一部分：虛擬擴(kuò)展方法，也叫做公共辯護(hù)(defender)方法。該特性可以讓你在接口定義中提供方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)。例如你可以為已有的接口（如 List 和 Map）聲明一個(gè)方法定義，這樣其他開(kāi)發(fā)者就無(wú)需重新實(shí)現(xiàn)這些方法，有點(diǎn)像抽象類(lèi)，但實(shí)際卻是接口。當(dāng)然，Java 8 理論上還是兼容已有的庫(kù)。
虛擬擴(kuò)展方法為 Java 帶來(lái)了多重繼承的特性，盡管該團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)與多重繼承不同，虛擬擴(kuò)展方法被限制用于行為繼承。或許通過(guò)這個(gè)特性你可以看到了多重繼承的影子。但你還是可以模擬實(shí)例狀態(tài)的繼承。我將在接下來(lái)的文章詳細(xì)描述 Java 8 中通過(guò) mixin 混入實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的繼承。
什么是混入 mixin?
混入是一種組合的抽象類(lèi)，主要用于多繼承上下文中為一個(gè)類(lèi)添加多個(gè)服務(wù)，多重繼承將多個(gè) mixin 組合成你的類(lèi)。例如，如果你有一個(gè)類(lèi)表示“馬”，你可以實(shí)例化這個(gè)類(lèi)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)“馬”的實(shí)例，然后通過(guò)繼承像“車(chē)庫(kù)”和“花園”來(lái)擴(kuò)展它，使用 Scala 的寫(xiě)法就是：
val myHouse = new House with Garage with Garden
從 mixin 繼承并不是一個(gè)特定的規(guī)范，這只是用來(lái)將各種功能添加到已有類(lèi)的方法。在 OOP 中，有了 mixin，你就有通過(guò)它來(lái)提升類(lèi)的可讀性。
例如在 Python 的 socketserver 模塊中就有使用 mixin 的方法，在這里，mixin 幫助 4 個(gè)基于不同 Socket 的 服務(wù)，包括支持多進(jìn)程的 UDP 和 TCP 服務(wù)以及支持多線(xiàn)程的 UDP 和 TCP 服務(wù)。
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class ForkingUDPServer(ForkingMixIn, UDPServer): passclass ForkingTCPServer(ForkingMixIn, TCPServer): pass class ThreadingUDPServer(ThreadingMixIn, UDPServer): passclass ThreadingTCPServer(ThreadingMixIn, TCPServer): pass |
什么是虛擬擴(kuò)展方法?
Java 8 將引入虛擬擴(kuò)展方法的概念，也叫 public defender method. 讓我們姑且把這個(gè)概念簡(jiǎn)化為 VEM。
VEM 旨在為 Java 接口提供默認(rèn)的方法定義，你可以用它在已有的接口中添加新的方法定義，例如 Java 里的集合 API。這樣類(lèi)似 Hibernate 這樣的第三方庫(kù)無(wú)需重復(fù)實(shí)現(xiàn)這些集合 API 的所有方法，因?yàn)橐呀?jīng)提供了一些默認(rèn)方法。
下面是如何在接口中定義方法的示例：
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public interface Collection<T> extends Iterable<T> { <R> Collection<R> filter(Predicate<T> p) default { return Collections.<T>filter(this, p); } } |
Java 8 對(duì)混入的模擬
現(xiàn)在我們來(lái)通過(guò) VEM 實(shí)現(xiàn)一個(gè)混入效果，不過(guò)事先警告的是：請(qǐng)不要在工作中使用！
下面的實(shí)現(xiàn)不是線(xiàn)程安全的，而且還可能存在內(nèi)存泄露問(wèn)題，這取決于你在類(lèi)中定義的 hashCode 和 equals 方法，這也是另外一個(gè)缺點(diǎn)，我將在后面討論這個(gè)問(wèn)題。
首先我們定義一個(gè)接口（模擬狀態(tài)Bean）并提供方法的默認(rèn)定義：
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public interface SwitchableMixin { boolean isActivated() default { return Switchables.isActivated(this); } void setActivated(boolean activated) default { Switchables.setActivated(this, activated); }} |
然后我們定義一個(gè)工具類(lèi)，包含一個(gè) Map 實(shí)例來(lái)保存實(shí)例和狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，狀態(tài)通過(guò)工具類(lèi)中的私有的嵌套類(lèi)代表：
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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; } } |
這里是一個(gè)使用用例，突出了狀態(tài)的繼承：
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private static class Device {} private static class DeviceA extends Device implements SwitchableMixin {} private static class DeviceB extends Device implements SwitchableMixin {} |
“完全不同的東西”
上面的實(shí)現(xiàn)跑起來(lái)似乎挺正常的，但 Oracle 的 Java 語(yǔ)言架構(gòu)師 Brian Goetz 向我提出一個(gè)疑問(wèn)說(shuō)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)是無(wú)法工作的（假設(shè)線(xiàn)程安全和內(nèi)存泄露問(wèn)題已解決）
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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()); |
你猜這段代碼執(zhí)行后會(huì)顯示什么結(jié)果呢？
疑問(wèn)的解決
第一眼看去，這個(gè)實(shí)現(xiàn)的代碼沒(méi)有問(wèn)題。X 是一個(gè)只包含一個(gè)方法的接口，因?yàn)?getName 和 setName 已經(jīng)有了默認(rèn)的定義，但 Runable 接口的 run 方法沒(méi)有定義，因此我們可通過(guò) lambda 表達(dá)式來(lái)生成 X 的實(shí)例，然后提供 run 方法的實(shí)現(xiàn)，就像 makeX 那樣。因此，你希望這個(gè)程序執(zhí)行后顯示的結(jié)果是：
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x1x2 |
如果你刪掉 getName 方法的調(diào)用，那么執(zhí)行結(jié)果變成：
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MyTest$1@30ae8764MyTest$1@123acf34 |
這兩行顯示出 makeX 方法的執(zhí)行來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同的實(shí)例，而這時(shí)當(dāng)前 OpenJDK 8 生成的（這里我使用的是 OpenJDK 8 24.0-b07）.
不管怎樣，當(dāng)前的 OpenJDK 8 并不能反映最終的 Java 8 的行為，為了解決這個(gè)問(wèn)題，你需要使用特殊參數(shù) -XDlambdaToMethod 來(lái)運(yùn)行 javac 命令，在使用了這個(gè)參數(shù)后，運(yùn)行結(jié)果變成：
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x2x2 |
如果不調(diào)用 getName 方法，則顯示：
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MyTest$$Lambda$1@5506d4eaMyTest$$Lambda$1@5506d4ea |
每個(gè)調(diào)用 makeX 方法似乎都是來(lái)自相同匿名內(nèi)部類(lèi)的一個(gè)單例實(shí)例，如果觀(guān)察包含編譯后的 java class 文件的目錄，會(huì)發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有一個(gè)名為 MyTestClass$$Lambda$1.class 的文件。
因?yàn)樵诰幾g時(shí)，lambda 表達(dá)式并沒(méi)有經(jīng)過(guò)完整的翻譯，事實(shí)上這個(gè)翻譯過(guò)程是在編譯和運(yùn)行時(shí)完成的，javac 編譯器將 lambda 表達(dá)式變成 JVM 新增的指令 invokedynamic (JSR292)。這個(gè)指令包含所有必須的關(guān)于在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行 lambda 表達(dá)式的元信息。包括要調(diào)用的方法名、輸入輸出類(lèi)型以及一個(gè)名為 bootstrap 的方法。bootstrap 方法用于定義接收此方法調(diào)用的實(shí)例，一旦 JVM 執(zhí)行了 invokedynamic 指令，JVM 就會(huì)在特定的 bootstrap 上調(diào)用 lambda 元工廠(chǎng)方法 (lambda metafactory method)。
再回到剛才那個(gè)疑問(wèn)中，lambda 表達(dá)式轉(zhuǎn)成了一個(gè)私有的靜態(tài)方法，() -> { System.out.println("X"); } 被轉(zhuǎn)到了 MyTest：
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private static void lambda$0() { System.out.println("X");} |
如果你用 javap 反編譯器并使用 -private 參數(shù)就可以看到這個(gè)方法，你也可以使用 -c 參數(shù)來(lái)查看更加完整的轉(zhuǎn)換。
當(dāng)你運(yùn)行程序時(shí)，JVM 會(huì)調(diào)用 lambda metafactory method 來(lái)嘗試闡釋 invokedynamic 指令。在我們的例子中，首次調(diào)用 makeX 時(shí)，lambda metafactory method 生成一個(gè) X 的實(shí)例并動(dòng)態(tài)鏈接 run 方法到 lambda$0 方法. X 的實(shí)例接下來(lái)被存儲(chǔ)在內(nèi)存中，當(dāng)?shù)诙握{(diào)用 makeX 時(shí)就直接從內(nèi)存中讀取這個(gè)實(shí)例，因此你第二次調(diào)用的實(shí)例跟第一次是一樣的。
修復(fù)了嗎？有解決辦法嗎？
目前尚無(wú)這個(gè)問(wèn)題直接的修復(fù)或者是解決辦法。盡管 Oracle 的 Java 8 計(jì)劃默認(rèn)激活-XDlambdaToMethod 參數(shù)，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)并不是 JVM 規(guī)范的一部分，因此不同供應(yīng)商和 JVM 的實(shí)現(xiàn)是不同的。對(duì)一個(gè) lambda 表達(dá)式而言，你唯一能期望的就是在類(lèi)中實(shí)現(xiàn)你的接口方法。
其他的方法
到此為止，盡管我們對(duì) mixin 的模仿并不能兼容 Java 8，但還是可能通過(guò)多繼承和委派為已有的類(lèi)添加多個(gè)服務(wù)。這個(gè)方法就是 virtual field pattern (虛擬字段模式).
所以來(lái)看看我們的 Switchable.
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interface Switchable { boolean isActive(); void setActive(boolean active);} |
我們需要一個(gè)基于 Switchable 的接口，并提供一個(gè)附加的抽象方法返回 Switchable 的實(shí)現(xiàn)。集成的方法包含默認(rèn)的定義，它們使用 getter 來(lái)轉(zhuǎn)換到 Switchable 實(shí)現(xiàn)的調(diào)用：
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public interface SwitchableView extends Switchable { Switchable getSwitchable(); boolean isActive() default { return getSwitchable().isActive(); } void setActive(boolean active) default { getSwitchable().setActive(active); }} |
接下來(lái)，我們創(chuàng)建一個(gè)完整的 Switchable 實(shí)現(xiàn)：
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public class SwitchableImpl implements Switchable { private boolean active; @Override public boolean isActive() { return active; } @Override public void setActive(boolean active) { this.active = active; }} |
這里是我們使用虛擬字段模式的例子：
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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; }} |
結(jié)論
在這篇文章中，我們使用了兩種方法通過(guò) Java 8 的虛擬擴(kuò)展方法為類(lèi)增加多個(gè)服務(wù)。第一個(gè)方法使用一個(gè) Map 來(lái)存儲(chǔ)實(shí)例狀態(tài)，這個(gè)方法很危險(xiǎn)，因?yàn)椴皇蔷€(xiàn)程安全而且存在內(nèi)存泄露問(wèn)題，這完全依賴(lài)于不同的 JVM 對(duì) Java 語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)方法是使用虛擬字段模式，通過(guò)一個(gè)抽象的 getter 來(lái)返回最終的實(shí)現(xiàn)實(shí)例。第二種方法更加獨(dú)立而且更加安全。
虛擬擴(kuò)展方法是 Java 的新特性，本文主要介紹的是多重繼承的實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)你會(huì)有更深入的研究以及應(yīng)用于其他方面，別忘了跟大家分享。
