Java 8中如何使用ASM和JiteScript“烘焙”你自己的lambda

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呃，Java位元組碼。我們已經在理解Java位元組碼一文中已經討論過，但繼續加深下記憶吧：Java位元組碼是原始碼的二進位表示，JVM可以讀取和執行位元組碼。

現在Java中廣泛使用位元組碼庫，尤其Java EE中普遍用到運行時的動態代理產生。位元組碼轉換也是常見用例，比如支援AOP運行時織入切面，或JRebel等工具提供的可擴充類重載技術。在代碼品質領域，常使用庫解析和分析位元組碼。

如果要轉換類位元組碼，有很多位元組碼庫可供選擇，其中最常用的有ASM,Javassist和BCEL。本文將簡單介紹ASM和JiteScript，JiteScript基於ASM,為類的產生提供了更流暢的API。

ASM是“awesome”的縮寫嗎？

嗯，可能不是。ASM是由ObjectWeb consortium提供的用於分析，修改和產生JVM位元組碼的Java API類庫。它被廣泛使用，經常作為操縱位元組碼最快的解決方案。Oracle JDK8部分基礎的lambda實現也使用了ASM類庫，可見ASM用處之廣。

很多其他架構和工具也利用了ASM類庫的能力，包括很多JVM語言實現，比如JRuby，Jython和Clojure。可以看出ASM作為位元組碼庫是很好的選擇！

ASM的訪問者模式

ASM類庫的總體架構使用了訪問者模式。ASM讀寫位元組碼時，運用訪問者模式按順序訪問類檔案位元組碼的各個部分。

分析類的位元組碼也很簡單，為你感興趣的部分實現訪問者，然後使用Cla***eader解析包含位元組碼的位元組數組。

同樣地，使用ClassWriter產生一個類的位元組碼，然後訪問類中的所有資料，再調用toByteArray()將其轉化為包含位元組碼的位元組數組。

修改——或者轉換——位元組碼就變成了兩者結合的藝術，Cla***eader訪問ClassWriter，使用其他訪問者增加/修改/刪除不同的部分。

直接使用API時，仍然需要對類檔案格式，可用的位元組碼操作以及棧機制有一定層次的總體瞭解。一些由編譯器完成的隱藏在Java源碼之後的事情現在就要由你來實現；比如在構造器中顯式地調用父建構函式，如果要執行個體化類，確保它必須有一個建構函式；建構函式的位元組碼錶示為名為”“的方法。

實現Runnable介面的一個簡單HelloWorld類,調用run()方法System.out字串“Hello World!”，使用ASM API產生如下：

ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
cw.visit(V1_5, ACC_PUBLIC, "HelloWorld", null,
Type.getInternalName(Object.class),
new String[] { Type.getInternalName(Runnable.class)});

MethodVisitor consMv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, "","()V",null,null);
consMv.visitCode();
consMv.visitVarInsn(ALOAD, 0);
consMv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL,
Type.getInternalName(Object.class), "", "()V", false);
consMv.visitInsn(RETURN);
consMv.visitMaxs(1, 1);
consMv.visitEnd();

MethodVisitor runMv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, "run", "()V", null, null);
runMv.visitFieldInsn(GETSTATIC, Type.getInternalName(System.class),
"out", Type.getDescriptor(PrintStream.class));
runMv.visitLdcInsn("Hello ASM!");
runMv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL,
Type.getInternalName(PrintStream.class), "println",
Type.getMethodDescriptor(Type.getType(void.class),
Type.getType(String.class)), false);
runMv.visitInsn(RETURN);
runMv.visitMaxs(2, 1);
runMv.visitEnd();

從上面的代碼可以看到，要使用ASM API的預設訪問者模式方法，能正確地調用要求對各個作業碼的所屬類別有所瞭解。與之相反的方式是產生方法時使用GeneratorAdapter，它提供了命名接近的方法來暴露大部分作業碼，比如當返回一個方法的值時能夠選擇正確的作業碼。

爸爸，我可以和lambda運算式愉快地玩耍嗎

Java 8中lambda運算式引入到Java語言；但是在位元組碼層級沒有發生變化！我們仍然使用Java 7增加的已有的invokedynamic功能。那這是否意味著我們在Java 7也可以運行lambda運算式呢？

不幸的是，答案是否。為建立invokedynamic調用的調用點所必須的運行時支援類不存在；但是明白我們可以用它做什麼仍然是件有趣的事情：

沒有語言層級支援的情況下我們將產生lambda運算式！

所以lambda運算式是什麼呢？簡單來說，它是運行時封裝在相容介面中的函數調用。那就來看看我們是否也可以在運行時封裝，使用Method類的執行個體來表示要封裝的方法，但是並不真正地使用反射機制完成調用！

從lambda運算式產生的位元組碼我們注意到，invokedynamic指令的bootstrap方法包含了關於所要封裝的方法，封裝該方法的介面以及介面方法描述符的所有資訊。那麼似乎這隻是個建立匹配我們方法和介面參數的位元組碼的問題。

你說要建立位元組碼？ASM又可以大顯身手了！

所以我們需要以下輸入：

• 我們要封裝的方法的引用
• 封裝該方法的功能介面的引用
• 如果是執行個體方法，還要有調用該方法的目標對象的引用

為此我們定義了以下方法：

public <T> T lambdafyVirtual(Class<?> iface, Method method, Object object)
public <T> T lambdafyStatic(Class<?> iface, Method method)
public <T> T lambdafyConstructor(Class<?> iface, Constructor constructor)

我們需要將這些方法轉化為ASM可理解的內容寫入位元組碼檔案，
這樣lambdaMetafactory可以讀取MethodHandle。ASM中MethodHandles由控制代碼類型表示，
而且基於Method對象建立給定方法的控制代碼非常簡單(這裡是一個執行個體方法)：

new Handle(H_INVOKEVIRTUAL, Type.getInternalName(method.getDeclaringClass()),
method.getName(), Type.getMethodDescriptor(method));

那麼現在Handle就可以在invokedynamic指令的bootstrap方法中使用，接下來就真正地產生位元組碼吧！
產生一個工廠類，它提供了一個方法，用來產生我們的invokedynamic指令調用的lambda運算式。

總結以上部分，我們獲得了下面的方法：

public <T> T lambdafyVirtual(Class<?> iface, Method method, Object object) {
Class<?> declaringClass = method.getDeclaringClass();
int tag = declaringClass.isInterface()?H_INVOKEINTERFACE:H_INVOKEVIRTUAL;
Handle handle = new Handle(tag, Type.getInternalName(declaringClass),
method.getName(), Type.getMethodDescriptor(method));

Class<Function<Object, T>> lambdaGeneratorClass =
generateLambdaGeneratorClass(iface, handle, declaringClass, true);
return lambdaGeneratorClass.newInstance().apply(object);
}

在最終產生位元組碼之後，還要將位元組碼轉化為Class對象。為此我們使用了JDK Proxy實現的defineClass，目的是將工廠類注入到與定義了封裝方法的類相同的類載入器中。而且，嘗試將它加入到相同的包，這樣我們也能訪問protected和package方法！類具有正確的名稱和包需要在產生位元組碼之前弄清楚。我們簡單地隨機產生了類名；對於這個例子的目的這麼做是可接受的，但這並不是具備可延伸性的好的解決方案。

冗長的戰鬥：ASM vs. JiteScript
上面我們使用了經典的“TV-廚房”技術，悄悄地從桌子下面拉出一隻裝有完整產品的鍋！但現在我們真正看一下產生位元組碼的小實驗。

使用ASM實現的代碼如下：

protected byte[] generateLambdaGeneratorClass(
final String className,
final Class<?> iface, final Method interfaceMethod,
final Handle bsmHandle, final Class<?> argumentType) throws Exception {

ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
cw.visit(V1_7, ACC_PUBLIC, className, null,
Type.getInternalName(Object.class),
new String[]{Type.getInternalName(Function.class)});

generateDefaultConstructor(cw);
generateApplyMethod(cw, iface, interfaceMethod, bsmHandle, argumentType);

cw.visitEnd();
return cw.toByteArray();
}

private void generateDefaultConstructor(ClassVisitor cv) {
String desc = Type.getMethodDescriptor(Type.getType(void.class));
GeneratorAdapter ga = createMethod(cv, ACC_PUBLIC, "", desc);
ga.loadThis();
ga.invokeConstructor(Type.getType(Object.class),
new org.objectweb.asm.commons.Method("", desc));
ga.returnValue();
ga.endMethod();
}

private void generateApplyMethod(ClassVisitor cv, Class<?> iface,
Method ifaceMethod, Handle bsmHandle, Class<?> argType) {
final Object[] bsmArgs = new Object[]{Type.getType(ifaceMethod),
bsmHandle, Type.getType(ifaceMethod)};
final String bsmDesc = argType!= null ?
Type.getMethodDescriptor(Type.getType(iface), Type.getType(argType)) :
Type.getMethodDescriptor(Type.getType(iface));

GeneratorAdapter ga = createMethod(cv, ACC_PUBLIC, "apply",
Type.getMethodDescriptor(Type.getType(Object.class),
Type.getType(Object.class)));
if (argType != null) {
ga.loadArg(0);
ga.checkCast(Type.getType(argType));
}
ga.invokeDynamic(ifaceMethod.getName(), bsmDesc, metafactory, bsmArgs);
ga.returnValue();
ga.endMethod();
}

private static GeneratorAdapter createMethod(ClassVisitor cv,
int access, String name, String desc) {
return new GeneratorAdapter(
cv.visitMethod(access, name, desc, null, null),
access, name, desc);
}

JiteScript實現的代碼如下，使用了執行個體初始化方法：

protected byte[] generateLambdaGeneratorClass(
final String className, final Class<?> iface, final Method ifaceMethod,
final Handle bsmHandle, final Class<?> argType) throws Exception {

final Object[] bsmArgs = new Object[] {
Type.getType(ifaceMethod), bsmHandle, Type.getType(ifaceMethod) };
final String bsmDesc = argType != null ? sig(iface, argType) : sig(iface);

return new JiteClass(className, p(Object.class),
new String[] { p(Function.class) }) {{
defineDefaultConstructor();
defineMethod("apply", ACC_PUBLIC, sig(Object.class, Object.class),
new CodeBlock() {{
if (argumentType != null) {
aload(1);
checkcast(p(argumentType));
}
invokedynamic(ifaceMethod.getName(), bsmDesc, metafactory, bsmArgs);
areturn();
}});
}}.toBytes(JDKVersion.V1_7);
}

很明顯像上面這樣產生可預測模式的位元組碼，JiteScript可讀性更好，代碼更簡潔。這也歸功於可速記的工具方法，比如sig()而不是Type.getMethodDescriptor()，在這裡它可以靜態匯入。

將所有的代碼結合起來MethodHandle部分實現與位元組碼產生部分合起來進行測試，看看是否正確運行！

IntStream.rangeClosed(1, 5).forEach(
lamdafier.lambdafyVirtual(
IntConsumer.class,
System.out.getClass().getMethod("println", Object.class),
System.out
));

看，它正確運行輸出了期望的值：

1
2
3
4
5

上面的例子也展示了lambda運算式實現的真正優勢之一：它具有按需轉換/裝箱/拆箱類型的能力，本例中將定義在IntConsumer介面中的void(Object)封裝為void(int)！

總結：使用所有的工具！

ASM入門並不那麼難；是的，需要對位元組碼的瞭解，但是一旦具備了這個基礎，從表層深入和建立自己的類就會是充滿樂趣和滿足感的體驗。而且，這樣也可以充實你自己通過Java代碼擷取不到的東西。同樣，建立特定於當前運行時環境的你自己的類，可能會發現從未想過的機會。

ASM在位元組碼轉換方面非常強大，JiteScript使代碼簡潔，可讀性更好，並不要求你二者擇一，它們是相容的，畢竟JiteScript基本上僅僅是ASM API的封裝。

親自試試吧！
回顧本文章，我們建立了簡單的代碼，使用ASM從Method反射對象產生lambda運算式，利用JDK8 lambda運算式要關注所有的必須參數和傳回型別轉換！
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