Java Lambda 底层实现

zerozrc0
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lambda不像匿名内部类生成一大堆的.class文件，他的底层实现原理主要如下，分为编译，运行，首次调用等过程

例如有这样一段代码：

Runnable task = () -> System.out.println("hello");
task.run();

在编译阶段，javac 首先会把 Lambda 表达式中的方法体抽取出来，放到当前类中，生成一个合成方法：

//static类主要用于后续适配器的调用
private static void lambda$main$0() {
    System.out.println("hello");
}

所以 Lambda 中真正的业务代码，在编译期就已经被编译成普通字节码，并保存在当前类的 .class 文件中了。

但是程序还需要得到一个 Runnable 对象，否则后面的 task.run() 无法执行。对于匿名内部类，编译器会直接生成一个 LambdaDemo$1.class，然后在代码中执行 new LambdaDemo$1()。Lambda 没有这么做，它会把创建 Runnable 对象的位置编译成一条 invokedynamic 指令。

invokedynamic run:()Ljava/lang/Runnable;

这个字节码的作用不是直接执行 Lambda 方法体，而是负责在程序第一次运行到这里时，确定这个位置以后怎样创建 Runnable 对象。

除了生成 invokedynamic 指令，javac 还会在当前类的 BootstrapMethods 属性中记录一份 Lambda 的描述信息。这里面会说明目标函数式接口是 Runnable，接口方法是 run()，真正的实现方法是 LambdaDemo.lambda$main$0()，引导方法则是 LambdaMetafactory.metafactory()。当 JVM 第一次执行到这条 invokedynamic 指令时就会调用这个引导方法，并把 Runnable、run() 和 lambda$main$0() 等信息传给它。

LambdaMetafactory 的任务，就是为这个 invokedynamic 调用点构造一个 CallSite。这个 CallSite 可以简单理解为：以后程序再执行到这个位置时，具体应该调用哪段逻辑来得到 Lambda 对象。

在 JDK 8 的具体实现中，LambdaMetafactory 最终通过 ASM 在内存中动态生成一个类，这个类的逻辑大致相当于：

final class LambdaDemo$$Lambda$1 implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        LambdaDemo.lambda$main$0();
    }
}

这个类本身并不包含真正的业务逻辑，它主要是一个适配器。它负责实现 Runnable 接口，并把 run() 方法转发到编译期已经生成的 lambda$main$0() 方法。

这个class文件不会和匿名内部类一样写入磁盘而是 InnerClassLambdaMetafactory 在程序运行过程中，通过 ASM 生成一个 byte[]。这个字节数组的内容符合 class 文件格式，但它只存在于内存中，不会默认写成 LambdaDemo$$Lambda$1.class 文件。

当动态类生成完毕以后，LambdaMetafactory 会返回一个已经绑定好的 CallSite。以后再次执行同一个 invokedynamic 调用点时，就不需要重新调用 LambdaMetafactory，也不需要重新生成实现类，而是直接使用已经链接好的 CallSite 创建或者返回 Lambda 对象。

对于没有捕获外部变量的 Lambda，生成的实现类不需要保存任何字段，因此运行时通常可以创建一个对象并重复使用。此时执行 invokedynamic，通常就是返回这个已经创建好的 Runnable 实例。

**lambda如何捕获外部变量？**实际上就是通过参数传递进去，如下，对于捕获了外部变量的 Lambda：

int value = 10;
Runnable task = () -> System.out.println(value);

编译器会把 Lambda 方法体转换成类似下面的方法：

private static void lambda$main$0(int value) {
    System.out.println(value);
}

当执行到invokedynamic时候会把外部变量复制一份

运行时生成的实现类则需要增加字段，用来保存捕获到的 value：

final class LambdaDemo$$Lambda$1 implements Runnable {

    private final int arg$1;

    LambdaDemo$$Lambda$1(int value) {
        this.arg$1 = value;
    }

    @Override
    public void run() {
        LambdaDemo.lambda$main$0(arg$1);
    }
}

这种情况下，Lambda 实现类通常仍然只生成一次，但每次执行 Lambda 创建表达式时，都可能创建一个新的对象实例，并把当前捕获到的值存入对象字段。

最终执行 task.run() 时，这已经是一次普通的接口方法调用。它先调用运行时生成类的 run()，然后再由这个 run() 转发到 LambdaDemo.lambda$main$0()，真正执行 Lambda 中的业务代码。代码成为热点以后，JIT 还可能把中间的接口调用、适配器方法和合成方法全部内联，最终直接生成对应的机器码。

所以整个过程可以概括为：javac 在编译期把 Lambda 方法体生成普通方法，同时在创建 Lambda 对象的位置生成 invokedynamic；第一次执行 invokedynamic 时，JVM 调用 LambdaMetafactory；LambdaMetafactory 在运行时生成一个实现函数式接口的类，并将其直接定义到 JVM 中；invokedynamic 返回这个类的对象；调用函数式接口方法时，再转发到编译期生成的 Lambda 合成方法。

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