Java 8 Lambda 表达式:模拟 Mixin 实现类的多重继承

2012/08/15 13:23
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Java 8 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,Java 8 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 Java 8 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:

1 val myHouse = new House with Garage with Garden

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。

1 class ForkingUDPServer(ForkingMixIn, UDPServer): pass
2 class ForkingTCPServer(ForkingMixIn, TCPServer): pass
3  
4 class ThreadingUDPServer(ThreadingMixIn, UDPServer): pass
5 class ThreadingTCPServer(ThreadingMixIn, TCPServer): pass

什么是虚拟扩展方法?

Java 8 将引入虚拟扩展方法的概念,也叫 public defender method. 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:

1 public interface Collection<T> extends Iterable<T> {
2  
3     <R> Collection<R> filter(Predicate<T> p)
4         default return Collections.<T>filter(this, p); }
5  
6 }

Java 8 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:

1 public interface SwitchableMixin {
2     boolean isActivated() default return Switchables.isActivated(this); }
3     void setActivated(boolean activated) default { Switchables.setActivated(this, activated); }
4 }

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:

01 public final class Switchables {
02  
03     private static final Map<SwitchableMixin, SwitchableDeviceState> SWITCH_STATES = new HashMap<>();
04  
05     public static boolean isActivated(SwitchableMixin device) {
06         SwitchableDeviceState state = SWITCH_STATES.get(device);
07         return state != null && state.activated;
08     }
09  
10     public static void setActivated(SwitchableMixin device, boolean activated) {
11         SwitchableDeviceState state = SWITCH_STATES.get(device);
12         if (state == null) {
13             state = new SwitchableDeviceState();
14             SWITCH_STATES.put(device, state);
15         }
16         state.activated = activated;
17     }
18  
19     private static class SwitchableDeviceState {
20         private boolean activated;
21     }
22  
23 }

这里是一个使用用例,突出了状态的继承:

1 private static class Device {}
2  
3 private static class DeviceA extends Device implements SwitchableMixin {}
4  
5 private static class DeviceB extends Device implements SwitchableMixin {}
1 DeviceA a = new DeviceA();
2 DeviceB b = new DeviceB();
3  
4 a.setActivated(true);
5  
6 assertThat(a.isActivated()).isTrue();
7 assertThat(b.isActivated()).isFalse();

“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 Brian Goetz 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)

01 interface FakeBrokenMixin {
02     static Map<FakeBrokenMixin, String> backingMap
03         = Collections.synchronizedMap(new WeakHashMap<FakeBrokenMixin, String>());
04  
05     String getName() default return backingMap.get(this); }
06     void setName(String name) default { backingMap.put(this, name); }
07 }
08  
09 interface extends Runnable, FakeBrokenMixin {}
10  
11 X makeX() { return () -> { System.out.println("X"); }; }
12  
13     X x1 = makeX();
14     X x2 = makeX();
15     x1.setName("x1");
16     x2.setName("x2");
17  
18     System.out.println(x1.getName());
19     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:

1 x1
2 x2

如果你删掉 getName 方法的调用,那么执行结果变成:

1 MyTest$1@30ae8764
2 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 OpenJDK 8 生成的(这里我使用的是 OpenJDK 8 24.0-b07).

不管怎样,当前的 OpenJDK 8 并不能反映最终的 Java 8 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:

1 x2
2 x2

如果不调用 getName 方法,则显示:

1 MyTest$$Lambda$1@5506d4ea
2 MyTest$$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 java class 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 (lambda metafactory method)。 

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:

1 private static void lambda$0() {
2     System.out.println("X");
3 }

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 lambda metafactory method 来尝试阐释 invokedynamic 指令。在我们的例子中,首次调用 makeX 时,lambda metafactory method 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 Java 8 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 Java 8,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 virtual field pattern (虚拟字段模式).

所以来看看我们的 Switchable.

1 interface Switchable {    boolean isActive();
2     void setActive(boolean active);
3 }

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:

1 public interface SwitchableView extends Switchable {
2     Switchable getSwitchable();
3  
4  
5     boolean isActive() default return getSwitchable().isActive(); }
6     void setActive(boolean active) default { getSwitchable().setActive(active); }
7 }

接下来,我们创建一个完整的 Switchable 实现:

01 public class SwitchableImpl implements Switchable {
02  
03  
04     private boolean active;
05  
06  
07     @Override
08     public boolean isActive() {
09         return active;
10     }
11  
12  
13     @Override
14     public void setActive(boolean active) {
15         this.active = active;
16     }
17 }

这里是我们使用虚拟字段模式的例子:

01 public class Device {}
02  
03  
04 public class DeviceA extends Device implements SwitchableView {
05     private Switchable switchable = new SwitchableImpl();
06  
07  
08     @Override
09     public Switchable getSwitchable() {
10         return switchable;
11     }
12 }
13  
14  
15 public class DeviceB extends Device implements SwitchableView {
16     private Switchable switchable = new SwitchableImpl();
17  
18  
19     @Override
20     public Switchable getSwitchable() {
21         return switchable;
22     }
23 }
1 DeviceA a = new DeviceA();DeviceB b = new DeviceB();
2  
3 a.setActive(true);
4  
5 assertThat(a.isActive()).isTrue();
6 assertThat(b.isActive()).isFalse();

结论

在这篇文章中,我们使用了两种方法通过 Java 8 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。

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