Java 语法糖详解

作者：Hollis 原文：<https://mp.weixin.qq.com/s/o4XdEMq1DL nBS f8Za5Aw 语法糖是大厂 Java 面试常问的一个知识点。 本文从 Java 编译原理角度，深入字节码及 class 文件，抽丝剥茧，了解 Java 中的语法糖原理及用法，帮助大家在学会如何使用 Java 语法糖的同时，了解这些语法糖背后的原理。 什么是语法糖？ 语法糖（Syntactic Sugar） 也称糖衣语法，是英国计算机学家 Peter.J.Landin 发明的一个术语，指在计算机语言中添加的某种语法，这种语法对语言的功能并没有影响，但是更方便程序员使用。简而言之，语法糖让程序更加简洁，有更高的可读性。 有意思的是，在编程领域，除了语法糖，还有语法盐和语法糖精的说法，篇幅有限这里不做扩展了。 我们所熟知的编程语言中几乎都有语法糖。作者认为，语法糖的多少是评判一个语言够不够牛逼的标准之一。很多人说 Java 是一个“低糖语言”，其实从 Java 7 开始 Java 语言层面上一直在添加各种糖，主要是在“Project Coin”项目下研发。尽管现在 Java 有人还是认为现在的 Java 是低糖，未来还会持续向着“高糖”的方向发展。 Java 中有哪些常见的语法糖？ 前面提到过，语法糖的存在主要是方便开发人员使用。但其实， Java 虚拟机并不支持这些语法糖。这些语法糖在编译阶段就会被还原成简单的基础语法结构，这个过程就是解语法糖。 说到编译，大家肯定都知道，Java 语言中， 命令可以将后缀名为 的源文件编译为后缀名为 的可以运行于 Java 虚拟机的字节码。如果你去看 的源码，你会发现在 中有一个步骤就是调用 ，这个方法就是负责解语法糖的实现的。 Java 中最常用的语法糖主要有泛型、变长参数、条件编译、自动拆装箱、内部类等。本文主要来分析下这些语法糖背后的原理。一步一步剥去糖衣，看看其本质。 我们这里会用到反编译，你可以通过 Decompilers online 对 Class 文件进行在线反编译。 switch 支持 String 与枚举 前面提到过，从 Java 7 开始，Java 语言中的语法糖在逐渐丰富，其中一个比较重要的就是 Java 7 中 开始支持 。 在开始之前先科普下，Java 中的 自身原本就支持基本类型。比如 、 等。对于 类型，直接进行数值的比较。对于 类型则是比较其 ascii 码。所以，对于编译器来说， 中其实只能使用整型，任何类型的比较都要转换成整型。比如 。 ， （ascii 码是整型）以及 。 那么接下来看下 对 的支持，有以下代码： 反编译后内容如下： 看到这个代码，你知道原来 字符串的 switch 是通过 和 方法来实现的。 还好 方法返回的是 ，而不是 。 仔细看下可以发现，进行 的实际是哈希值，然后通过使用 方法比较进行安全检查，这个检查是必要的，因为哈希可能会发生碰撞。因此它的性能是不如使用枚举进行 或者使用纯整数常量，但这也不是很差。 泛型 我们都知道，很多语言都是支持泛型的，但是很多人不知道的是，不同的编译器对于泛型的处理方式是不同的，通常情况下，一个编译器处理泛型有两种方式： 和 。C++和 C 是使用 的处理机制，而 Java 使用的是 的机制。 Code sharing 方式为每个泛型类型创建唯一的字节码表示，并且将该泛型类型的实例都映射到这个唯一的字节码表示上。将多种泛型类形实例映射到唯一的字节码表示是通过类型擦除（ ）实现的。 也就是说， 对于 Java 虚拟机来说，他根本不认识 这样的语法。需要在编译阶段通过类型擦除的方式进行解语法糖。 类型擦除的主要过程如下：1.将所有的泛型参数用其最左边界（最顶级的父类型）类型替换。 2.移除所有的类型参数。 以下代码： 解语法糖之后会变成： 以下代码： 类型擦除后会变成： 虚拟机中没有泛型，只有普通类和普通方法，所有泛型类的类型参数在编译时都会被擦除，泛型类并没有自己独有的 类对象。比如并不存在 或是 ，而只有 。 自动装箱与拆箱 自动装箱就是 Java 自动将原始类型值转换成对应的对象，比如将 int 的变量转换成 Integer 对象，这个过程叫做装箱，反之将 Integer 对象转换成 int 类型值，这个过程叫做拆箱。因为这里的装箱和拆箱是自动进行的非人为转换，所以就称作为自动装箱和拆箱。原始类型 byte, short, char, int, long, float, double 和 boolean 对应的封装类为 Byte, Short, Character, Integer, Long, Float, Double, Boolean。 先来看个自动装箱的代码： 反编译后代码如下: 再来看个自动拆箱的代码： 反编译后代码如下： 从反编译得到内容可以看出，在装箱的时候自动调用的是 的 方法。而在拆箱的时候自动调用的是 的 方法。 所以， 装箱过程是通过调用包装器的 valueOf 方法实现的，而拆箱过程是通过调用包装器的 xxxValue 方法实现的。 可变长参数 可变参数( )是在 Java 1.5 中引入的一个特性。它允许一个方法把任意数量的值作为参数。 看下以下可变参数代码，其中 方法接收可变参数： 反编译后代码： 从反编译后代码可以看出，可变参数在被使用的时候，他首先会创建一个数组，数组的长度就是调用该方法是传递的实参的个数，然后再把参数值全部放到这个数组当中，然后再把这个数组作为参数传递到被调用的方法中。（注： 仅在修饰成员变量时有意义，此处 “修饰方法” 是由于在 javassist 中使用相同数值分别表示 以及 ，见 此处。） 枚举 Java SE5 提供了一种新的类型 Java 的枚举类型，关键字 可以将一组具名的值的有限集合创建为一种新的类型，而这些具名的值可以作为常规的程序组件使用，这是一种非常有用的功能。 要想看源码，首先得有一个类吧，那么枚举类型到底是什么类呢？是 吗？答案很明显不是， 就和 一样，只是一个关键字，他并不是一个类，那么枚举是由什么类维护的呢，我们简单的写一个枚举： 然后我们使用反编译，看看这段代码到底是怎么实现的，反编译后代码内容如下： 通过反编译后代码我们可以看到， ，说明，该类是继承了 类的，同时 关键字告诉我们，这个类也是不能被继承的。 当我们使用 来定义一个枚举类型的时候，编译器会自动帮我们创建一个 类型的类继承 类，所以枚举类型不能被继承。 内部类 内部类又称为嵌套类，可以把内部类理解为外部类的一个普通成员。 内部类之所以也是语法糖，是因为它仅仅是一个编译时的概念， 里面定义了一个内部类 ，一旦编译成功，就会生成两个完全不同的 文件了，分别是 和 。所以内部类的名字完全可以和它的外部类名字相同。 以上代码编译后会生成两个 class 文件： 、 。当我们尝试对 文件进行反编译的时候，命令行会打印以下内容： 。他会把两个文件全部进行反编译，然后一起生成一个 文件。文件内容如下： 为什么内部类可以使用外部类的 private 属性 ： 我们在 InnerClass 中增加一个方法，打印外部类的 userName 属性 实际上，在编译完成之后，inner 实例内部会有指向 outer 实例的引用 ，但是简单的 是无法访问 private 属性的。从反编译的结果可以看到，outer 中会有一个桥方法 ，恰好返回 String 类型，即 userName 属性。正是通过这个方法实现内部类访问外部类私有属性。所以反编译后的 方法大致如下： 补充： 1. 匿名内部类、局部内部类、静态内部类也是通过桥方法来获取 private 属性。 2. 静态内部类没有 的引用 3. 匿名内部类、局部内部类通过复制使用局部变量，该变量初始化之后就不能被修改。以下是一个案例： 反编译后： 条件编译 —般情况下，程序中的每一行代码都要参加编译。但有时候出于对程序代码优化的考虑，希望只对其中一部分内容进行编译，此时就需要在程序中加上条件，让编译器只对满足条件的代码进行编译，将不满足条件的代码舍弃，这就是条件编译。 如在 C 或 CPP 中，可以通过预处理语句来实现条件编译。其实在 Java 中也可实现条件编译。我们先来看一段代码： 反编译后代码如下： 首先，我们发现，在反编译后的代码中没有 ，这其实就是条件编译。当 为 false 的时候，编译器就没有对其内的代码进行编译。 所以， Java 语法的条件编译，是通过判断条件为常量的 if 语句实现的。其原理也是 Java 语言的语法糖。根据 if 判断条件的真假，编译器直接把分支为 false 的代码块消除。通过该方式实现的条件编译，必须在方法体内实现，而无法在整个 Java 类的结构或者类的属性上进行条件编译，这与 C/C++的条件编译相比，确实更有局限性。在 Java 语言设计之初并没有引入条件编译的功能，虽有局限，但是总比没有更强。 断言 在 Java 中， 关键字是从 JAVA SE 1.4 引入的，为了避免和老版本的 Java 代码中使用了 关键字导致错误，Java 在执行的时候默认是不启动断言检查的（这个时候，所有的断言语句都将忽略！），如果要开启断言检查，则需要用开关 或 来开启。 看一段包含断言的代码： 反编译后代码如下： 很明显，反编译之后的代码要比我们自己的代码复杂的多。所以，使用了 assert 这个语法糖我们节省了很多代码。 其实断言的底层实现就是 if 语言，如果断言结果为 true，则什么都不做，程序继续执行，如果断言结果为 false，则程序抛出 AssertError 来打断程序的执行。 会设置$assertionsDisabled 字段的值。 数值字面量 在 java 7 中，数值字面量，不管是整数还是浮点数，都允许在数字之间插入任意多个下划线。这些下划线不会对字面量的数值产生影响，目的就是方便阅读。 比如： 反编译后： 反编译后就是把 删除了。也就是说 编译器并不认识在数字字面量中的 ，需要在编译阶段把他去掉。 for each 增强 for 循环（ ）相信大家都不陌生，日常开发经常会用到的，他会比 for 循环要少写很多代码，那么这个语法糖背后是如何实现的呢？ 反编译后代码如下： 代码很简单， for each 的实现原理其实就是使用了普通的 for 循环和迭代器。 try with resource Java 里，对于文件操作 IO 流、数据库连接等开销非常昂贵的资源，用完之后必须及时通过 close 方法将其关闭，否则资源会一直处于打开状态，可能会导致内存泄露等问题。 关闭资源的常用方式就是在 块里是释放，即调用 方法。比如，我们经常会写这样的代码： 从 Java 7 开始，jdk 提供了一种更好的方式关闭资源，使用 语句，改写一下上面的代码，效果如下： 看，这简直是一大福音啊，虽然我之前一般使用 去关闭流，并不会使用在 中写很多代码的方式，但是这种新的语法糖看上去好像优雅很多呢。看下他的背后： 其实背后的原理也很简单，那些我们没有做的关闭资源的操作，编译器都帮我们做了。所以，再次印证了，语法糖的作用就是方便程序员的使用，但最终还是要转成编译器认识的语言。 Lambda 表达式 关于 lambda 表达式，有人可能会有质疑，因为网上有人说他并不是语法糖。其实我想纠正下这个说法。 Lambda 表达式不是匿名内部类的语法糖，但是他也是一个语法糖。实现方式其实是依赖了几个 JVM 底层提供的 lambda 相关 api。 先来看一个简单的 lambda 表达式。遍历一个 list： 为啥说他并不是内部类的语法糖呢，前面讲内部类我们说过，内部类在编译之后会有两个 class 文件，但是，包含 lambda 表达式的类编译后只有一个文件。 反编译后代码如下: 可以看到，在 方法中，其实是调用了 方法，该方法的第四个参数 指定了方法实现。可以看到这里其实是调用了一个 方法进行了输出。 再来看一个稍微复杂一点的，先对 List 进行过滤，然后再输出： 反编译后代码如下： 两个 lambda 表达式分别调用了 和 两个方法。 所以，lambda 表达式的实现其实是依赖了一些底层的 api，在编译阶段，编译器会把 lambda 表达式进行解糖，转换成调用内部 api 的方式。 可能遇到的坑 泛型 一、当泛型遇到重载 上面这段代码，有两个重载的函数，因为他们的参数类型不同，一个是 另一个是 ，但是，这段代码是编译通不过的。因为我们前面讲过，参数 和 编译之后都被擦除了，变成了一样的原生类型 List，擦除动作导致这两个方法的特征签名变得一模一样。 二、当泛型遇到 catch 泛型的类型参数不能用在 Java 异常处理的 catch 语句中。因为异常处理是由 JVM 在运行时刻来进行的。由于类型信息被擦除，JVM 是无法区分两个异常类型 和 的 三、当泛型内包含静态变量 以上代码输出结果为：2！ 有些同学可能会误认为泛型类是不同的类，对应不同的字节码，其实 由于经过类型擦除，所有的泛型类实例都关联到同一份字节码上，泛型类的静态变量是共享的。上面例子里的 和 其实是一个变量。 自动装箱与拆箱 对象相等比较 输出结果： 在 Java 5 中，在 Integer 的操作上引入了一个新功能来节省内存和提高性能。整型对象通过使用相同的对象引用实现了缓存和重用。 适用于整数值区间 128 至 +127。 只适用于自动装箱。使用构造函数创建对象不适用。 增强 for 循环 会抛出 异常。 这里涉及集合的 fail fast（快速失败） 机制。以 为例，其内部维护了一个 计数器，每次对集合结构进行修改（如添加、删除）时都会递增该计数器。当创建 时，会将当前的 记录为 。在每次调用 时， 都会检查 是否等于 ，如果不等，说明集合在遍历期间被其他方式修改了，就会抛出 异常。 所以 在工作的时候是不允许被迭代的对象被改变的。但你可以使用 本身的方法 来删除对象， 方法会在删除元素后同步更新 ，从而避免触发该异常。 总结 前面介绍了 12 种 Java 中常用的语法糖。所谓语法糖就是提供给开发人员便于开发的一种语法而已。但是这种语法只有开发人员认识。要想被执行，需要进行解糖，即转成 JVM 认识的语法。当我们把语法糖解糖之后，你就会发现其实我们日常使用的这些方便的语法，其实都是一些其他更简单的语法构成的。 有了这些语法糖，我们在日常开发的时候可以大大提升效率，但是同时也要避过度使用。使用之前最好了解下原理，避免掉坑。 写在最后 如果内容对你有帮助的话，欢迎顺手给 JavaGuide 点一个免费的 Star 支持一下：GitHub | Gitee。 JavaGuide 已持续维护近七年，累计 6100+ 次提交，来自 620+ 位贡献者共同完善。你的 Star、反馈和 PR，都是这个项目继续更新的动力。 如果你正在准备后端/AI 应用开发面试，也可以了解一下我的知识星球，里面包括后端和 AI 实战项目、简历优化、一对一提问和高频考点资料，已经持续维护六年。