作者：Hollis

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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，了解這些語法糖背后的原理

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并沒有影響，但是更方便程序員使用。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，篇幅有限這里不做擴展了。

我們所熟知的編程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。盡管現在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虛擬機并不支持這些語法糖。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命令可以將后綴名為.java的源文件編譯為后綴名為.class的可以運行于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后的原理。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。

對于int類型，直接進行數值的比較。對于char類型則是比較其ascii碼。

所以，對于編譯器來說，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。

那么接下來看下switch對String得支持，有以下代碼：

反編譯后內容如下：

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，然后通過使用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，不同的編譯器對于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，并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，對于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：

• ?1.將所有的泛型參數用其最左邊界（最頂級的父類型）類型替換。

• ?2.移除所有的類型參數。

以下代碼：

解語法糖之后會變成：

?

以下代碼：

類型擦除后會變成：

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，泛型類并沒有自己獨有的Class類對象。比如并不存在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。

因為這里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：

反編譯后代碼如下:

再來看個自動拆箱的代碼：

反編譯后代碼如下：

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：

反編譯后代碼：

從反編譯后代碼可以看出，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，然后再把參數值全部放到這個數組當中，然后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，那么枚舉類型到底是什么類呢？是enum嗎？

答案很明顯不是，enum就和class一樣，只是一個關鍵字，他并不是一個類。

那么枚舉是由什么類維護的呢，我們簡單的寫一個枚舉：

然后我們使用反編譯，看看這段代碼到底是怎么實現的，反編譯后代碼內容如下：

通過反編譯后代碼我們可以看到，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里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。

以上代碼編譯后會生成兩個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，命令行會打印以下內容：

他會把兩個文件全部進行反編譯，然后一起生成一個OutterClass.jad文件。文件內容如下：

糖塊七 、條件編譯

—般情況下，程序中的每一行代碼都要參加編譯。但有時候出于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舍棄，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：

反編譯后代碼如下：

首先，我們發現，在反編譯后的代碼中沒有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語言設計之初并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：

反編譯后代碼如下：

很明顯，反編譯之后的代碼要比我們自己的代碼復雜的多。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，則什么都不做，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字段的值。

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：

反編譯后：

反編譯后就是把_刪除了。也就是說編譯器并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，那么這個語法糖背后是如何實現的呢？

反編譯后代碼如下：

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-resource

Java里，對于文件操作IO流、數據庫連接等開銷非常昂貴的資源，用完之后必須及時通過close方法將其關閉，否則資源會一直處于打開狀態，可能會導致內存泄露等問題。

關閉資源的常用方式就是在finally塊里是釋放，即調用close方法。比如，我們經常會寫這樣的代碼：

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：

看，這簡直是一大福音啊，雖然我之前一般使用IOUtils去關閉流，并不會使用在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，看下他的背后原理：

其實背后的原理也很簡單，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序員的使用，但最終還是要轉成編譯器認識的語言。

糖塊十二、Lambda表達式

關于lambda表達式，有人可能會有質疑，因為網上有人說他并不是語法糖。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：

為啥說他并不是內部類的語法糖呢，前面講內部類我們說過，內部類在編譯之后會有兩個class文件，但是，包含lambda表達式的類編譯后只有一個文件。

反編譯后代碼如下:

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。可以看到這里其實是調用了一個lambda$main$0方法進行了輸出。

再來看一個稍微復雜一點的，先對List進行過濾，然后再輸出：

反編譯后代碼如下：

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?

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編譯之后都被擦除了，變成了一樣的原生類型List，擦除動作導致這兩個方法的特征簽名變得一模一樣。

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。由于類型信息被擦除，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

以上代碼輸出結果為：2！由于經過類型擦除，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

輸出結果：

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。

適用于整數值區間-128 至 +127。

只適用于自動裝箱。使用構造函數創建對象不適用。

增強for循環

會拋出ConcurrentModificationException異常。

Iterator是工作在一個獨立的線程中，并且擁有一個 mutex 鎖。 Iterator被創建之后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，所以當索引指針往后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。

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于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后，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。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的不了解这12个语法糖，别说你会Java！的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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