深入理解Java中的Lambda表达式
Java8开始出现，带来一个全新特性：使用Lambda表达式(JSR-335)进行函数式编程。今天我们要讨论的是Lambda的其中一部分：虚拟扩展方法，也叫做公共辩护(defender)方法。该特性可以让你在接口定义中提供方法的默认实现。例如你可以为已有的接口（如List和Map）声明一个方法定义，这样其他开发者就无需重新实现这些方法，有点像抽象类，但实际却是接口。当然，Java8理论上还是兼容已有的库。
虚拟扩展方法为Java带来了多重继承的特性，尽管该团队声称与多重继承不同，虚拟扩展方法被限制用于行为继承。或许通过这个特性你可以看到了多重继承的影子。但你还是可以模拟实例状态的继承。我将在接下来的文章详细描述Java8中通过mixin混入实现状态的继承。
什么是混入mixin?
混入是一种组合的抽象类，主要用于多继承上下文中为一个类添加多个服务，多重继承将多个mixin组合成你的类。例如，如果你有一个类表示“马”，你可以实例化这个类来创建一个“马”的实例，然后通过继承像“车库”和“花园”来扩展它，使用Scala的写法就是：
valmyHouse=newHousewithGaragewithGarden
从mixin继承并不是一个特定的规范，这只是用来将各种功能添加到已有类的方法。在OOP中，有了mixin，你就有通过它来提升类的可读性。
例如在Python的 socketserver模块中就有使用mixin的方法，在这里，mixin帮助4个基于不同Socket的服务，包括支持多进程的UDP和TCP服务以及支持多线程的UDP和TCP服务。
classForkingUDPServer(ForkingMixIn,UDPServer):pass classForkingTCPServer(ForkingMixIn,TCPServer):pass classThreadingUDPServer(ThreadingMixIn,UDPServer):pass classThreadingTCPServer(ThreadingMixIn,TCPServer):pass
什么是虚拟扩展方法?
Java8将引入虚拟扩展方法的概念，也叫publicdefendermethod.让我们姑且把这个概念简化为VEM。
VEM旨在为Java接口提供默认的方法定义，你可以用它在已有的接口中添加新的方法定义，例如Java里的集合API。这样类似Hibernate这样的第三方库无需重复实现这些集合API的所有方法，因为已经提供了一些默认方法。
下面是如何在接口中定义方法的示例：
publicinterfaceCollection<T>extendsIterable<T>{
<R>Collection<R>filter(Predicate<T>p)
default{returnCollections.<T>filter(this,p);}
}
Java8对混入的模拟
现在我们来通过VEM实现一个混入效果，不过事先警告的是：请不要在工作中使用！
下面的实现不是线程安全的，而且还可能存在内存泄露问题，这取决于你在类中定义的hashCode和equals方法，这也是另外一个缺点，我将在后面讨论这个问题。
首先我们定义一个接口（模拟状态Bean）并提供方法的默认定义：
publicinterfaceSwitchableMixin{
booleanisActivated()default{returnSwitchables.isActivated(this);}
voidsetActivated(booleanactivated)default{Switchables.setActivated(this,activated);}
}
然后我们定义一个工具类，包含一个Map实例来保存实例和状态的关联，状态通过工具类中的私有的嵌套类代表：
publicfinalclassSwitchables{
privatestaticfinalMap<SwitchableMixin,SwitchableDeviceState>SWITCH_STATES=newHashMap<>();
publicstaticbooleanisActivated(SwitchableMixindevice){
SwitchableDeviceStatestate=SWITCH_STATES.get(device);
returnstate!=null&&state.activated;
}
publicstaticvoidsetActivated(SwitchableMixindevice,booleanactivated){
SwitchableDeviceStatestate=SWITCH_STATES.get(device);
if(state==null){
state=newSwitchableDeviceState();
SWITCH_STATES.put(device,state);
}
state.activated=activated;
}
privatestaticclassSwitchableDeviceState{
privatebooleanactivated;
}
}
这里是一个使用用例，突出了状态的继承：
privatestaticclassDevice{}
privatestaticclassDeviceAextendsDeviceimplementsSwitchableMixin{}
privatestaticclassDeviceBextendsDeviceimplementsSwitchableMixin{}
“完全不同的东西”
上面的实现跑起来似乎挺正常的，但Oracle的Java语言架构师BrianGoetz向我提出一个疑问说当前实现是无法工作的（假设线程安全和内存泄露问题已解决）
interfaceFakeBrokenMixin{
staticMap<FakeBrokenMixin,String>backingMap
=Collections.synchronizedMap(newWeakHashMap<FakeBrokenMixin,String>());
StringgetName()default{returnbackingMap.get(this);}
voidsetName(Stringname)default{backingMap.put(this,name);}
}
interfaceXextendsRunnable,FakeBrokenMixin{}
XmakeX(){return()->{System.out.println("X");};}
Xx1=makeX();
Xx2=makeX();
x1.setName("x1");
x2.setName("x2");
System.out.println(x1.getName());
System.out.println(x2.getName());
你猜这段代码执行后会显示什么结果呢？
疑问的解决
第一眼看去，这个实现的代码没有问题。X是一个只包含一个方法的接口，因为getName和setName已经有了默认的定义，但Runable接口的run方法没有定义，因此我们可通过lambda表达式来生成X的实例，然后提供run方法的实现，就像makeX那样。因此，你希望这个程序执行后显示的结果是：
x1 x2
如果你删掉getName方法的调用，那么执行结果变成：
MyTest$1@30ae8764 MyTest$1@123acf34
这两行显示出makeX方法的执行来自两个不同的实例，而这时当前OpenJDK8生成的（这里我使用的是OpenJDK824.0-b07）.
不管怎样，当前的OpenJDK8并不能反映最终的Java8的行为，为了解决这个问题，你需要使用特殊参数-XDlambdaToMethod来运行javac命令，在使用了这个参数后，运行结果变成：
x2 x2
如果不调用getName方法，则显示：
MyTest$$Lambda$1@5506d4ea MyTest$$Lambda$1@5506d4ea
每个调用makeX方法似乎都是来自相同匿名内部类的一个单例实例，如果观察包含编译后的javaclass文件的目录，会发现并没有一个名为MyTestClass$$Lambda$1.class的文件。
因为在编译时，lambda表达式并没有经过完整的翻译，事实上这个翻译过程是在编译和运行时完成的，javac编译器将lambda表达式变成JVM新增的指令invokedynamic(JSR292)。这个指令包含所有必须的关于在运行时执行lambda表达式的元信息。包括要调用的方法名、输入输出类型以及一个名为bootstrap的方法。bootstrap方法用于定义接收此方法调用的实例，一旦JVM执行了invokedynamic指令，JVM就会在特定的bootstrap上调用lambda元工厂方法(lambdametafactorymethod)。
再回到刚才那个疑问中，lambda表达式转成了一个私有的静态方法，()->{System.out.println("X");}被转到了MyTest：
privatestaticvoidlambda$0(){
System.out.println("X");
}
如果你用javap反编译器并使用-private参数就可以看到这个方法，你也可以使用-c参数来查看更加完整的转换。
当你运行程序时，JVM会调用lambdametafactorymethod来尝试阐释invokedynamic指令。在我们的例子中，首次调用makeX时，lambdametafactorymethod生成一个X的实例并动态链接run方法到lambda$0方法.X的实例接下来被存储在内存中，当第二次调用makeX时就直接从内存中读取这个实例，因此你第二次调用的实例跟第一次是一样的。
修复了吗？有解决办法吗？
目前尚无这个问题直接的修复或者是解决办法。尽管Oracle的Java8计划默认激活-XDlambdaToMethod参数，因为这个参数并不是JVM规范的一部分，因此不同供应商和JVM的实现是不同的。对一个lambda表达式而言，你唯一能期望的就是在类中实现你的接口方法。
其他的方法
到此为止，尽管我们对mixin的模仿并不能兼容Java8，但还是可能通过多继承和委派为已有的类添加多个服务。这个方法就是virtualfieldpattern(虚拟字段模式).
所以来看看我们的Switchable.
interfaceSwitchable{booleanisActive();
voidsetActive(booleanactive);
}
我们需要一个基于Switchable的接口，并提供一个附加的抽象方法返回Switchable的实现。集成的方法包含默认的定义，它们使用getter来转换到Switchable实现的调用：
publicinterfaceSwitchableViewextendsSwitchable{
SwitchablegetSwitchable();
booleanisActive()default{returngetSwitchable().isActive();}
voidsetActive(booleanactive)default{getSwitchable().setActive(active);}
}
接下来，我们创建一个完整的Switchable实现：
publicclassSwitchableImplimplementsSwitchable{
privatebooleanactive;
@Override
publicbooleanisActive(){
returnactive;
}
@Override
publicvoidsetActive(booleanactive){
this.active=active;
}
}
这里是我们使用虚拟字段模式的例子：
publicclassDevice{}
publicclassDeviceAextendsDeviceimplementsSwitchableView{
privateSwitchableswitchable=newSwitchableImpl();
@Override
publicSwitchablegetSwitchable(){
returnswitchable;
}
}
publicclassDeviceBextendsDeviceimplementsSwitchableView{
privateSwitchableswitchable=newSwitchableImpl();
@Override
publicSwitchablegetSwitchable(){
returnswitchable;
}
}
结论
在这篇文章中，我们使用了两种方法通过Java8的虚拟扩展方法为类增加多个服务。第一个方法使用一个Map来存储实例状态，这个方法很危险，因为不是线程安全而且存在内存泄露问题，这完全依赖于不同的JVM对Java语言的实现。另外一个方法是使用虚拟字段模式，通过一个抽象的getter来返回最终的实现实例。第二种方法更加独立而且更加安全。
虚拟扩展方法是Java的新特性，本文主要介绍的是多重继承的实现，详细你会有更深入的研究以及应用于其他方面，别忘了跟大家分享。