怎么在Android中兼容Java8語法-創(chuàng)新互聯(lián)

本篇文章為大家展示了怎么在Android中兼容Java 8語法，內(nèi)容簡明扼要并且容易理解，絕對能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。

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Java 8概述

Java 8是Java開發(fā)語言非常重要的一個版本。Oracle從2014年3月18日發(fā)布Java 8，從該版本起，Java開始支持函數(shù)式編程。特別是吸收了運行在JVM上的Scala、Groovy等動態(tài)腳本語言的特性之后，Java 8在語言的表達(dá)力、簡潔性兩個方面有了很大的提高。

Java 8的主要語言特性改進(jìn)概括起來包括以下幾點：

  • Lambda表達(dá) （函數(shù)閉包）

  • 函數(shù)式接口 （@FunctionalInterface）

  • Stream API （通過流式調(diào)用支持map、filter等高階函數(shù)）

  • 方法引用（使用::關(guān)鍵字將函數(shù)轉(zhuǎn)化為對象）

  • 默認(rèn)方法（抽象接口中允許存在default修飾的非抽象方法）

  • 類型注解和重復(fù)注解

其中Lambda表達(dá)、函數(shù)式接口、方法引用三個特性為Java帶來了函數(shù)式編程的風(fēng)格；而Stream實現(xiàn)了map、filter、reduce等常見的高階函數(shù)，數(shù)據(jù)源囊括了數(shù)組、集合、IO通道等，這些又為Java帶來了流式編程或者說鏈?zhǔn)骄幊痰娘L(fēng)格，以上這些風(fēng)格讓Java變得越來越現(xiàn)代化和易用。

Android和Java關(guān)系

其實Java在Android的快速發(fā)展過程中扮演著非常重要的角色，無論是作為開發(fā)語言（Java）、開發(fā)Framework（Android-SDK引用了80%的JDK-API），還是開發(fā)工具（Eclipse or Android Studio）。這些都和Java有著千絲萬縷的關(guān)系。不過可能是受到與Oracle的法律訴訟的影響，Google在Android上針對Java的升級一直都不是很積極：

  • Android 從1.0 一直升級到4.4，迭代了將近19個Android版本，才在4.4版本中支持了Java 7。

  • 然后從Android 4.4版本開始算起，一直到Android N(7.0)共4個Android版本，才在Jack/Jill工具鏈勉強支持了Java 8。但由于Jack/Jill工具鏈在構(gòu)建流程中舍棄了原有Java字節(jié)碼的體系，導(dǎo)致大量既有的技術(shù)沉淀無法應(yīng)用，致使許多App工程放棄了接入。

  • 最后直到Android P(9.0)版本， Google 才在Android Studio 3.x中通過新增的D8 dex編譯器正式支持了Java 8，但部分API并不能全版本支持。

可謂“歷經(jīng)坎坷”。特別是Rx大行其道的今天，Rx配合Java 8特性Lambda帶來簡潔、高效的開發(fā)體驗，更是讓Android Developer望眼欲穿。

接下來，本文將從技術(shù)原理層面，來分析一下Android是如何支持Java 8的。

Lambda 表達(dá)式

想要更好的理解Android對Java 8的支持過程，Lambda表達(dá)式這一代表性的“語法糖”是一個非常不錯的切入點。所以，我們首先需要搞清楚Lambda表達(dá)式到底是什么？其底層的實現(xiàn)原理又是什么？

Lambda表達(dá)式是Java支持函數(shù)式編程的基礎(chǔ)，也可以稱之為閉包。簡單來說，就是在Java語法層面允許將函數(shù)當(dāng)作方法的參數(shù)，函數(shù)可以當(dāng)做對象。任一Lambda表達(dá)式都有且只有一個函數(shù)式接口與之對應(yīng)，從這個角度來看，也可以說是該函數(shù)式接口的實例化。

Lambda表達(dá)式

通用格式：

怎么在Android中兼容Java 8語法

簡單范例：

怎么在Android中兼容Java 8語法

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說明：

  • Lambda表達(dá)式中 () 對應(yīng)的是函數(shù)式接口-run方法的參數(shù)列表。

  • Lambda表達(dá)式中 System.out.println("xixi") / System.out.println("haha")，在運行時會是具體的run方法的實現(xiàn)。

Lambda表達(dá)式原理

針對實例中的代碼，我們來看下編譯之后的字節(jié)碼：

javac J8Sample.java  ->  J8Sample.class

javap -c -p J8Sample.class 
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從字節(jié)碼中我們可以看到：

  • 實例中Lambda表達(dá)式1變成了字節(jié)碼代碼塊中 Line 11的 0: invokedynamic #2,  0   // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable。

  • 實例中Lambda表達(dá)式2變成了字節(jié)碼代碼塊中 Line 20的 21: invokedynamic #6,  0   // InvokeDynamic #1:run:()Ljava/lang/Runnable。

可見，Lambda表達(dá)式在虛擬機(jī)層面上，是通過一種名為invokedynamic字節(jié)碼指令來實現(xiàn)的。那么invokedynamic又是何方神圣呢？

invokedynamic 指令解讀

invokedynamic指令是Java 7中新增的字節(jié)碼調(diào)用指令，作為Java支持動態(tài)類型語言的改進(jìn)之一，跟invokevirtual、invokestatic、invokeinterface、invokespecial四大指令一起構(gòu)成了虛擬機(jī)層面各種Java方法的分配調(diào)用指令集。區(qū)別在于：

  • 后四種指令，在編譯期間生成的class文件中，通過常量池（Constant Pool）的MethodRef常量已經(jīng)固定了目標(biāo)方法的符號信息（方法所屬者及其類型，方法名字、參數(shù)順序和類型、返回值）。虛擬機(jī)使用符號信息能直接解釋出具體的方法，直接調(diào)用。

  • 而invokedynamic指令在編譯期間生成的class文件中，對應(yīng)常量池（Constant Pool）的Invokedynamic_Info常量存儲的符號信息中并沒有方法所屬者及其類型 ，替代的是BootstapMethod信息。在運行時， 通過引導(dǎo)方法BootstrapMethod機(jī)制動態(tài)確定方法的所屬者和類型。這一特點也非常契合動態(tài)類型語言只有在運行期間才能確定類型的特征。

那么，invokedynamic如何通過引導(dǎo)方法找到所屬者及其類型？我們依然結(jié)合前面的J8Sample實例：

javap -v J8Sample.class
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結(jié)合J8Sample.class字節(jié)碼，并對invokedynamic指令調(diào)用過程進(jìn)行跟蹤分析。總結(jié)如下：

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依據(jù)上圖invokedynamic調(diào)用步驟，我們一步一步做一個分析講解。

步驟1 選取J8Sample.java源碼中Lambda表達(dá)式1：

Runnable runnable = () -> System.out.println("xixi");    // lambda表達(dá)式1

步驟2 通過javac J8Sample.java編譯得到J8Sample.class之后，Lambda表達(dá)式1變成：0: invokedynamic #2,  0    // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;對應(yīng)在J8Sample.class中發(fā)現(xiàn)了新增的私有靜態(tài)方法：
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步驟3 針對表達(dá)式1的字節(jié)碼分析 #2 對應(yīng)的是class文件中的常量池：

#2 = InvokeDynamic      #0:#35         // #0:run:()Ljava/lang/Runnable;   

注意，這里InvokeDynamic不是指令，代表的是Constant_InvokeDynamic_Info結(jié)構(gòu)。

步驟4 結(jié)構(gòu)后面緊跟的 #0 標(biāo)識的是class文件中的BootstrapMethod區(qū)域中引導(dǎo)方法的索引：

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步驟5 引導(dǎo)方法中的java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory才是invokedynamic指令的關(guān)鍵：

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該方法會在運行時，在內(nèi)存中動態(tài)生成一個實現(xiàn)Lambda表達(dá)式對應(yīng)函數(shù)式接口的實例類型，并在接口的實現(xiàn)方法中調(diào)用步驟2中新增的靜態(tài)私有方法。

步驟6 使用java -Djdk.internal.lambda.dumpProxyClasses J8Sample.class運行一下，可以內(nèi)存中動態(tài)生成的類型輸出到本地：

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步驟7 通過javap -p -c J8Sample\$\$Lambda\$1.class反編譯一下，可以看到生成類的實現(xiàn)：

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在run方法中使用了invokestatic指令，直接調(diào)用了J8Sample.lambda$main$0這個在編譯期間生成的靜態(tài)私有方法。

至此，上面7個步驟就是Lambda表達(dá)式在Java的底層的實現(xiàn)原理。Android 針對這些實現(xiàn)會怎么處理呢？

Android不能直接支持

回到Android系統(tǒng)上，Java-Bytecode（JVM字節(jié)碼）是不能直接運行在Android系統(tǒng)上的，需要轉(zhuǎn)換成Android-Bytecode（Dalvik/ART 字節(jié)碼）。

如圖：

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通過Lambda這節(jié)，我們知道Java底層是通過invokedynamic指令來實現(xiàn)，由于Dalvik/ART并沒有支持invokedynamic指令或者對應(yīng)的替代功能。簡單的來說，就是Android的dex編譯器不支持invokedynamic指令，導(dǎo)致Android不能直接支持Java 8。

Android間接支持

既然不能直接支持，那就只能在Java-Bytecode轉(zhuǎn)換到Android-Bytecode這一過程中想辦法，間接支持。這個間接支持的過程我們統(tǒng)稱為Desugar（脫糖）過程。

官方流程圖：

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當(dāng)前，無論是RetroLambda，還是Google的Jack & Jill 工具，還是最新的D8 dex編譯器：

  • 流程方面：都是按照如上圖所示的官方流程進(jìn)行Desugar的。

  • 原理方面：卻是參照Lambda在Java底層的實現(xiàn)，并將這些實現(xiàn)移至到RetroLambda插件或者Jack、D8編譯器工具中。

下面我們逐個分析解讀一下。

Android 間接支持之RetroLambda

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如圖所示，RetroLambda 的Desugar過程發(fā)生在javac將源碼編譯完成之后，dx工具進(jìn)行dex編譯之前。

RetroLambda Desugar

參照invokedynamic指令解讀一節(jié)中的步驟5，根據(jù)java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory方法，直接將原本在運行時生成在內(nèi)存中的J8Sample\$\$Lambda\$1.class，在javac編譯結(jié)束之后，dx編譯dex之前，直接生成到本地，并使用生成的J8Sample\$\$Lambda\$1類修改J8Sample.class字節(jié)碼文件，將J8Sample.class中的invokedynamic指令替換成invokestatic指令。

將實例中的J8Sample.java放到一個配置了Retrolambda的Android工程中：

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AndroidStudio -> Build -> make project 編譯之后：

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app:transformClassesWithRetrolambdaForDebug任務(wù)發(fā)生在app:compileDebugJavaWithJavac (javac)后，app:transformDexArchiveWithDexMergerForDebug (dx)之前，同時在build/intermediates/transforms/retrolambda下面生產(chǎn)如圖所示的class文件。

J8Sample.class和J8Sample$$Lambda$1.class反編譯之后的代碼如下：

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通過反編譯代碼，可以看出J8Sample.class中Lambda表達(dá)式已經(jīng)被我們熟悉的1.7or1.6的語句所替代。

注意：右圖中J8Sample.lambda$main$0()方法在左圖中沒有顯示出來，但是J8Sample.class字節(jié)碼確實是存在的。Android間接支持之Jack&Jill工具
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Jack是基于Eclipse的ecj編譯開發(fā)的， Jill是基于ASM4開發(fā)的。Jack&Jill工具鏈?zhǔn)荊oogle在Android N(7.0)發(fā)布的，用于替換javac&dx的工具鏈，并且在jack過程內(nèi)置了Desugar過程。

但是在Android P(9.0) 的時候?qū)ack&Jill工具鏈廢棄了，被javac&D8工具鏈替代了。這里就不做Desugar具體分析了。

Android間接支持之D8

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D8是Android P(9.0)新增的dex編譯器。并在Android Studio 3.1版本中默認(rèn)使用D8作為dex的默認(rèn)編譯器。

D8 Desugar

如圖所示，Desugar過程放在了D8的內(nèi)部，由Android Studio這個IDE來實現(xiàn)這個轉(zhuǎn)換，原理基本和RetroLambda是一樣。

本質(zhì)上也是參照java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory方法直接將原本在運行時生成在內(nèi)存中的J8Sample\$\$Lambda\$1.class，在D8的編譯dex期間，直接生成并寫入到dex文件中。

同樣，將實例中的J8Sample.java放到支持D8的Android工程中：

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同樣，AndroidStudio -> Build -> make project編譯之后：

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javac編譯之后的J8Sample.class還是使用invokedynamic指令，即這一步并沒有Desugar：

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app:transformDexArchiveWithDexMergerForDebug（對應(yīng)dx）任務(wù)之后，再對應(yīng)build/intermediates/transforms/dexMerger目錄找第0個classex.dex。

執(zhí)行$ANDROID_HOME/build-tools/28.0.3/dexdump -d classes.dex >> dexInfo.txt拿到dex信息。

還是選取實例中Lambda表達(dá)式1 ：Runnable runnable = () -> System.out.println("xixi");來進(jìn)行分析。

這個dexIno.txt文件非常大，有1.4M，我們通過com.J8Smaple2.J8Sample找到我們J8Sample在dex中位置。
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新增方法：

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J8Sample.main方法：

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圖中選中部分，對應(yīng)就是Lambda表達(dá)式1 desugar之后的內(nèi)容。

翻譯成Java的話就變成了：new Lcom/j8sample2/-$$Lambda$J8Sample$jWmuYH0zEF070TKXrjBFgnnqOKc這個生成類的一個對象。類Lcom/j8sample2/-$$Lambda$J8Sample$jWmuYH0zEF070TKXrjBFgnnqOKc對應(yīng)前面的生成的J8Sample$$Lambda$1類型，只不過數(shù)字1變成了Hash值。
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實現(xiàn)Interface Ljava/lang/Runnable。Lcom/j8sample2/-$$Lambda$J8Sample$jWmuYH0zEF070TKXrjBFgnnqOKc.run方法：

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到這里，是不是和前面RetroLambda就一樣了。

總結(jié)

至此，Lambda及其invokedynamic指令、RetroLambda插件、D8編譯器各自的原理分析都已經(jīng)結(jié)束了。

相比較Lambda在Java8自己內(nèi)部的實現(xiàn)：即運行時，在內(nèi)存中動態(tài)生成關(guān)聯(lián)的函數(shù)式接口的實例類型，通過BSM-引導(dǎo)方法找到該內(nèi)存類（字節(jié)碼層面的反射）。

在Android上的其他三種Desugar方式，原理都是一樣的，區(qū)別在于時機(jī)不同：

  1. RetroLambda將函數(shù)式接口對應(yīng)的實例類型的生產(chǎn)過程，放在javac編譯之后，dx編譯之前，并動態(tài)修改了表達(dá)式所屬的字節(jié)碼文件。

  2. Jack&Jill是直接將接口對應(yīng)的實例類型，直接jack過程中生成，并編譯進(jìn)了dex文件。

  3. D8的過程是在dex編譯過程中，直接在內(nèi)存生成接口對應(yīng)的實例類型，并將生成的類型直接寫入生成的dex文件中。

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文章名稱：怎么在Android中兼容Java8語法-創(chuàng)新互聯(lián)
文章源于：http://muchs.cn/article4/ddjgie.html

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