实战 Java 16 值类型 Record - 1. Record 的默认方法使用以及基于预编译生成
作者：互联网
在之前的 JEP 尝鲜系列中，我们介绍了 Java Project Valhalla 以及 Java 值类型，经过 Java 14，15，16 的不断开发优化反馈，终于 Java 16 我们迎来了 Java 值类型的最终版设计，可以正式在生产使用 Java 值类型相关 API 也就是 Record 这个类了。
相关资料：
- Project Valhalla
- JEP 169: Value Objects
- JEP 218: Generics over Primitive Types
- JEP 359: Records(Preview)
- JEP 384: Records (Second Preview)
- JEP 395: Records
但是，使用这个值类型 Record 替代原有的所有 Pojo 类，会遇到很多问题。这些问题包括：
- 由于值类型没有原来普通 Object 的对象头等信息，所以对于一些 Object 的特性是不兼容的。
- 我们目前使用 Java 开发不可能不使用很多三方 jar 包，各种库。这些库中使用的 Pojo 类型并没有使用值类型。不过，不用太担心，只要这些开源库还比较活跃，那么一定早晚会兼容值类型的。
Record 的产生背景
Record 要解决的问题最主要的一点就是，让Java适应现代硬件：在 Java 语言发布之初，一次内存访问和一次数字计算的消耗时间是差不多的，但是现在，一次内存访问耗时大概是一次数值计算的 200 ~ 1000 倍。从语言设计上来说，也就是间接访问带来的通过指针获取的需要操作的内存，对于整体性能影响很大。
Java 是基于对象的语言，也就是说，Java 是一种基于指针的间接引用的语言。这个基于指针的特性，给每个对象带来了唯一标识性。例如判断两个 Object 的 ==，其实判断的是两个对象的内存相对映射地址是否相同，尽管两个对象的 field 完全一样，他们的内存地址也不同。同时这个特性也给对象带来了多态性，易变性还有锁的特性。但是，并不是所有对象都需要这种特性。
由于指针与间接访问带来了性能瓶颈，Java 准备对于不需要以上提到的特性的对象移除这些特性。于是乎， Record 出现了。
快速上手 Record 类
我们先举一个简单例子，声明一个用户 Record。
public record User(long id, String name, int age) {}这样编写代码之后，Record 类默认包含的元素和方法实现包括：
- record 头指定的组成元素（
int id, String name, int age），并且，这些元素都是 final 的。 - record 默认只有一个构造器，是包含所有元素的构造器。
- record 的每个元素都有一个对应的 getter（但这种 getter 并不是 getxxx()，而是直接用变量名命名，所以使用序列化框架，DAO 框架都要注意这一点）
- 实现好的 hashCode()，equals()，toString() 方法（通过自动在编译阶段生成关于 hashCode()，equals()，toString() 方法实现的字节码实现）。
我们来使用下这个 Record ：
User zhx = new User(1, "zhx", 29);
User ttj = new User(2, "ttj", 25);
System.out.println(zhx.id());//1
System.out.println(zhx.name());//zhx
System.out.println(zhx.age());//29
System.out.println(zhx.equals(ttj));//false
System.out.println(zhx.toString());//User[id=1, name=zhx, age=29]
System.out.println(zhx.hashCode());//3739156Record 的结构是如何实现的
编译后插入相关域与方法的字节码
查看上面举得例子的字节码，有两种方式，一是通过 javap -v User.class 命令查看文字版的字节码，截取重要的字节码如下所示：
//省略文件头，文件常量池部分
{
//public 构造器，全部属性作为参数，并给每个 Field 赋值
public com.github.hashzhang.basetest.User(long, java.lang.String, int);
descriptor: (JLjava/lang/String;I)V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=5, args_size=4
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Record."<init>":()V
4: aload_0
5: lload_1
6: putfield #7 // Field id:J
9: aload_0
10: aload_3
11: putfield #13 // Field name:Ljava/lang/String;
14: aload_0
15: iload 4
17: putfield #17 // Field age:I
20: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 21 0 this Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
0 21 1 id J
0 21 3 name Ljava/lang/String;
0 21 4 age I
MethodParameters:
Name Flags
id
name
age
//public final 修饰的 toString 方法
public final java.lang.String toString();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
//核心实现是这个 invokedynamic，我们后面会分析
1: invokedynamic #21, 0 // InvokeDynamic #0:toString:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;)Ljava/lang/String;
6: areturn
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 7 0 this Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
//public final 修饰的 hashCode 方法
public final int hashCode();
descriptor: ()I
flags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
//核心实现是这个 invokedynamic，我们后面会分析
1: invokedynamic #25, 0 // InvokeDynamic #0:hashCode:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;)I
6: ireturn
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 7 0 this Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
//public final 修饰的 equals 方法
public final boolean equals(java.lang.Object);
descriptor: (Ljava/lang/Object;)Z
flags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: aload_1
//核心实现是这个 invokedynamic，我们后面会分析
2: invokedynamic #29, 0 // InvokeDynamic #0:equals:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;Ljava/lang/Object;)Z
7: ireturn
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 8 0 this Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
0 8 1 o Ljava/lang/Object;
//public 修饰的 id 的 getter
public long id();
descriptor: ()J
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #7 // Field id:J
4: lreturn
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
//public 修饰的 name 的 getter
public java.lang.String name();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #13 // Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
//public 修饰的 age 的 getter
public int age();
descriptor: ()I
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #17 // Field age:I
4: ireturn
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
}
SourceFile: "User.java"
Record:
long id;
descriptor: J
java.lang.String name;
descriptor: Ljava/lang/String;
int age;
descriptor: I
//以下是 invokedynamic 会调用的方法以及参数信息，我们后面会分析
BootstrapMethods:
0: #50 REF_invokeStatic java/lang/runtime/ObjectMethods.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/TypeDescriptor;Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/invoke/MethodHandle;)Ljava
/lang/Object;
Method arguments:
#8 com/github/hashzhang/basetest/User
#57 id;name;age
#59 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.id:J
#60 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.name:Ljava/lang/String;
#61 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.age:I
InnerClasses:
public static final #67= #63 of #65; // Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles另一种是通过 IDE 的 jclasslib 插件查看，我推荐使用这种方法，查看效果如下：
自动生成的 private final field
自动生成的全属性构造器
自动生成的 public getter 方法
自动生成的 hashCode()，equals()，toString() 方法
这些方法的核心就是 invokedynamic：
看上去貌似是调用另外一个方法，这种间接调用难道没有性能损耗问题么？这一点 JVM 开发者已经想到了。我们先来来了解下 invokedynamic。
invokedynamic 产生的背景
Java 最早是一种静态类型语言，也就是说它的类型检查的主体过程主要是在编译期而不是运行期。为了兼容动态类型语法，也是为了 JVM 能够兼容动态语言（JVM 设计初衷并不是只能运行 Java），在 Java 7 引入了字节码指令 invokedynamic。这也是后来 Java 8 的拉姆达表达式以及 var 语法的实现基础。
invokedynamic 与 MethodHandle
invokedynamic 离不开对 java.lang.invoke 包的使用。这个包的主要目的是在之前单纯依靠符号引用来确定调用的目标方法这种方式以外，提供一种新的动态确定目标方法的机制，称为MethodHandle。
通过 MethodHandle 可以动态获取想调用的方法进行调用，和 Java Reflection 反射类似，但是为了追求性能效率，需要用 MethodHandle，主要原因是： Reflection 仅仅是 Java 语言上补充针对反射的实现，并没有考虑效率的问题，尤其是 JIT 基本无法针对这种反射调用进行有效的优化。MethodHandle 更是像是对于字节码的方法指令调用的模拟，适当使用的话 JIT 也能对于它进行优化，例如将 MethodHandle 相关方法引用声明为 static final 的：
private static final MutableCallSite callSite = new MutableCallSite(
MethodType.methodType(int.class, int.class, int.class));
private static final MethodHandle invoker = callSite.dynamicInvoker();自动生成的 toString(), hashcode(), equals() 的实现
通过字节码可以看出 incokedynamic 实际调用的是 BoostrapMethods 中的 #0 方法：
0 aload_0
1 invokedynamic #24 <hashCode, BootstrapMethods #0>
6 ireturnBootstap 方法表包括：
BootstrapMethods:
//调用的实际是 java.lang.runtime.ObjectMethods 的 boostrap 方法
0: #50 REF_invokeStatic java/lang/runtime/ObjectMethods.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/TypeDescriptor;Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/invoke/MethodHandle;)Ljava
/lang/Object;
Method arguments:
#8 com/github/hashzhang/basetest/User
#57 id;name;age
#59 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.id:J
#60 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.name:Ljava/lang/String;
#61 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.age:I
InnerClasses:
//声明 MethodHandles.Lookup 为 final，加快调用性能，这样调用 BootstrapMethods 里面的方法可以实现近似于直接调用的性能
public static final #67= #63 of #65; // Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles
从这里，我们就能看出，实际上 toString() 调用的是 java.lang.runtime.ObjectMethods 的 bootstap() 方法。其核心代码是：ObjectMethods.java
public static Object bootstrap(MethodHandles.Lookup lookup, String methodName, TypeDescriptor type,
Class<?> recordClass,
String names,
MethodHandle... getters) throws Throwable {
MethodType methodType;
if (type instanceof MethodType)
methodType = (MethodType) type;
else {
methodType = null;
if (!MethodHandle.class.equals(type))
throw new IllegalArgumentException(type.toString());
}
List<MethodHandle> getterList = List.of(getters);
MethodHandle handle;
//根据 method 名称，处理对应的逻辑，分别对应了 equals()，hashCode()，toString() 的实现
switch (methodName) {
case "equals":
if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(boolean.class, recordClass, Object.class)))
throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);
handle = makeEquals(recordClass, getterList);
return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;
case "hashCode":
if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(int.class, recordClass)))
throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);
handle = makeHashCode(recordClass, getterList);
return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;
case "toString":
if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(String.class, recordClass)))
throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);
List<String> nameList = "".equals(names) ? List.of() : List.of(names.split(";"));
if (nameList.size() != getterList.size())
throw new IllegalArgumentException("Name list and accessor list do not match");
handle = makeToString(recordClass, getterList, nameList);
return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;
default:
throw new IllegalArgumentException(methodName);
}
}其中，toString() 方法 的核心实现逻辑，就要看case "toString" 这一分支了，核心逻辑是makeToString(recordClass, getterList, nameList)：
private static MethodHandle makeToString(Class<?> receiverClass,
//所有的 getter 方法
List<MethodHandle> getters,
//所有的 field 名称
List<String> names) {
assert getters.size() == names.size();
int[] invArgs = new int[getters.size()];
Arrays.fill(invArgs, 0);
MethodHandle[] filters = new MethodHandle[getters.size()];
StringBuilder sb = new StringBuilder();
//先拼接类名称[
sb.append(receiverClass.getSimpleName()).append("[");
for (int i=0; i<getters.size(); i++) {
MethodHandle getter = getters.get(i); // (R)T
MethodHandle stringify = stringifier(getter.type().returnType()); // (T)String
MethodHandle stringifyThisField = MethodHandles.filterArguments(stringify, 0, getter); // (R)String
filters[i] = stringifyThisField;
//之后拼接 field 名称=值
sb.append(names.get(i)).append("=%s");
if (i != getters.size() - 1)
sb.append(", ");
}
sb.append(']');
String formatString = sb.toString();
MethodHandle formatter = MethodHandles.insertArguments(STRING_FORMAT, 0, formatString)
.asCollector(String[].class, getters.size()); // (R*)String
if (getters.size() == 0) {
// Add back extra R
formatter = MethodHandles.dropArguments(formatter, 0, receiverClass);
}
else {
MethodHandle filtered = MethodHandles.filterArguments(formatter, 0, filters);
formatter = MethodHandles.permuteArguments(filtered, MethodType.methodType(String.class, receiverClass), invArgs);
}
return formatter;
}同理，hashcode() 实现是：
private static MethodHandle makeHashCode(Class<?> receiverClass,
List<MethodHandle> getters) {
MethodHandle accumulator = MethodHandles.dropArguments(ZERO, 0, receiverClass); // (R)I
// 对于每一个 field，找到对应的 hashcode 方法，取 哈希值，最后组合在一起
for (MethodHandle getter : getters) {
MethodHandle hasher = hasher(getter.type().returnType()); // (T)I
MethodHandle hashThisField = MethodHandles.filterArguments(hasher, 0, getter); // (R)I
MethodHandle combineHashes = MethodHandles.filterArguments(HASH_COMBINER, 0, accumulator, hashThisField); // (RR)I
accumulator = MethodHandles.permuteArguments(combineHashes, accumulator.type(), 0, 0); // adapt (R)I to (RR)I
}
return accumulator;
}同理，equals() 实现是：
private static MethodHandle makeEquals(Class<?> receiverClass,
List<MethodHandle> getters) {
MethodType rr = MethodType.methodType(boolean.class, receiverClass, receiverClass);
MethodType ro = MethodType.methodType(boolean.class, receiverClass, Object.class);
MethodHandle instanceFalse = MethodHandles.dropArguments(FALSE, 0, receiverClass, Object.class); // (RO)Z
MethodHandle instanceTrue = MethodHandles.dropArguments(TRUE, 0, receiverClass, Object.class); // (RO)Z
MethodHandle isSameObject = OBJECT_EQ.asType(ro); // (RO)Z
MethodHandle isInstance = MethodHandles.dropArguments(CLASS_IS_INSTANCE.bindTo(receiverClass), 0, receiverClass); // (RO)Z
MethodHandle accumulator = MethodHandles.dropArguments(TRUE, 0, receiverClass, receiverClass); // (RR)Z
//对比两个对象的每个 field 的 getter 获取的值是否一样，对于引用类型通过 Objects.equals 方法，对于原始类型直接通过 ==
for (MethodHandle getter : getters) {
MethodHandle equalator = equalator(getter.type().returnType()); // (TT)Z
MethodHandle thisFieldEqual = MethodHandles.filterArguments(equalator, 0, getter, getter); // (RR)Z
accumulator = MethodHandles.guardWithTest(thisFieldEqual, accumulator, instanceFalse.asType(rr));
}
return MethodHandles.guardWithTest(isSameObject,
instanceTrue,
MethodHandles.guardWithTest(isInstance, accumulator.asType(ro), instanceFalse));
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标签：lang,Ljava,Java,String,16,Record,User,methodType,MethodHandle 来源： https://blog.51cto.com/u_11418075/2706449