Java 8 開始出現(xiàn)，帶來一個(gè)全新特性：使用 Lambda 表達(dá)式 (JSR-335) 進(jìn)行函數(shù)式編程。今天我們要討論的是 Lambda 的其中一部分：虛擬擴(kuò)展方法，也叫做公共辯護(hù)(defender)方法。該特性可以讓你在接口定義中提供方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)。例如你可以為已有的接口（如 List 和 Map）聲明一個(gè)方法定義，這樣其他開發(fā)者就無需重新實(shí)現(xiàn)這些方法，有點(diǎn)像抽象類，但實(shí)際卻是接口。當(dāng)然，Java 8 理論上還是兼容已有的庫。

虛擬擴(kuò)展方法為 Java 帶來了多重繼承的特性，盡管該團(tuán)隊(duì)聲稱與多重繼承不同，虛擬擴(kuò)展方法被限制用于行為繼承?；蛟S通過這個(gè)特性你可以看到了多重繼承的影子。但你還是可以模擬實(shí)例狀態(tài)的繼承。我將在接下來的文章詳細(xì)描述 Java 8 中通過 mixin 混入實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的繼承。

什么是混入 mixin?

混入是一種組合的抽象類，主要用于多繼承上下文中為一個(gè)類添加多個(gè)服務(wù)，多重繼承將多個(gè) mixin 組合成你的類。例如，如果你有一個(gè)類表示“馬”，你可以實(shí)例化這個(gè)類來創(chuàng)建一個(gè)“馬”的實(shí)例，然后通過繼承像“車庫”和“花園”來擴(kuò)展它，使用 Scala 的寫法就是：
 
val myHouse = new House with Garage with Garden

從 mixin 繼承并不是一個(gè)特定的規(guī)范，這只是用來將各種功能添加到已有類的方法。在 OOP 中，有了 mixin，你就有通過它來提升類的可讀性。

例如在 Python 的  socketserver 模塊中就有使用 mixin 的方法，在這里，mixin 幫助 4 個(gè)基于不同 Socket 的 服務(wù)，包括支持多進(jìn)程的 UDP 和 TCP 服務(wù)以及支持多線程的 UDP 和 TCP 服務(wù)。
 

class ForkingUDPServer(ForkingMixIn, UDPServer): pass
class ForkingTCPServer(ForkingMixIn, TCPServer): pass
 
class ThreadingUDPServer(ThreadingMixIn, UDPServer): pass
class ThreadingTCPServer(ThreadingMixIn, TCPServer): pass

什么是虛擬擴(kuò)展方法?

Java 8 將引入虛擬擴(kuò)展方法的概念，也叫 public defender method. 讓我們姑且把這個(gè)概念簡(jiǎn)化為 VEM。

VEM 旨在為 Java 接口提供默認(rèn)的方法定義，你可以用它在已有的接口中添加新的方法定義，例如 Java 里的集合 API。這樣類似 Hibernate 這樣的第三方庫無需重復(fù)實(shí)現(xiàn)這些集合 API 的所有方法，因?yàn)橐呀?jīng)提供了一些默認(rèn)方法。

下面是如何在接口中定義方法的示例：
 

public interface Collection<T> extends Iterable<T> {
 
  <R> Collection<R> filter(Predicate<T> p)
    default { return Collections.<T>filter(this, p); }
 
}

Java 8 對(duì)混入的模擬

現(xiàn)在我們來通過 VEM 實(shí)現(xiàn)一個(gè)混入效果，不過事先警告的是：請(qǐng)不要在工作中使用！

下面的實(shí)現(xiàn)不是線程安全的，而且還可能存在內(nèi)存泄露問題，這取決于你在類中定義的 hashCode 和 equals 方法，這也是另外一個(gè)缺點(diǎn)，我將在后面討論這個(gè)問題。

首先我們定義一個(gè)接口（模擬狀態(tài)Bean）并提供方法的默認(rèn)定義：
 

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

然后我們定義一個(gè)工具類，包含一個(gè) Map 實(shí)例來保存實(shí)例和狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，狀態(tài)通過工具類中的私有的嵌套類代表：
 

public final class Switchables {
 
  private static final Map<SwitchableMixin, SwitchableDeviceState> SWITCH_STATES = new HashMap<>();
 
  public static boolean isActivated(SwitchableMixin device) {
    SwitchableDeviceState state = SWITCH_STATES.get(device);
    return state != null && state.activated;
  }
 
  public static void setActivated(SwitchableMixin device, boolean activated) {
    SwitchableDeviceState state = SWITCH_STATES.get(device);
    if (state == null) {
      state = new SwitchableDeviceState();
      SWITCH_STATES.put(device, state);
    }
    state.activated = activated;
  }
 
  private static class SwitchableDeviceState {
    private boolean activated;
  }
 
}

這里是一個(gè)使用用例，突出了狀態(tài)的繼承：
 

private static class Device {}
 
private static class DeviceA extends Device implements SwitchableMixin {}
 
private static class DeviceB extends Device implements SwitchableMixin {}

“完全不同的東西”

上面的實(shí)現(xiàn)跑起來似乎挺正常的，但 Oracle 的 Java 語言架構(gòu)師 Brian Goetz 向我提出一個(gè)疑問說當(dāng)前實(shí)現(xiàn)是無法工作的（假設(shè)線程安全和內(nèi)存泄露問題已解決）
 

interface FakeBrokenMixin {
  static Map<FakeBrokenMixin, String> backingMap
    = Collections.synchronizedMap(new WeakHashMap<FakeBrokenMixin, String>());
 
  String getName() default { return backingMap.get(this); }
  void setName(String name) default { backingMap.put(this, name); }
}
 
interface X extends Runnable, FakeBrokenMixin {}
 
X makeX() { return () -> { System.out.println("X"); }; }
 
  X x1 = makeX();
  X x2 = makeX();
  x1.setName("x1");
  x2.setName("x2");
 
  System.out.println(x1.getName());
  System.out.println(x2.getName());

你猜這段代碼執(zhí)行后會(huì)顯示什么結(jié)果呢？
疑問的解決

第一眼看去，這個(gè)實(shí)現(xiàn)的代碼沒有問題。X 是一個(gè)只包含一個(gè)方法的接口，因?yàn)?getName 和 setName 已經(jīng)有了默認(rèn)的定義，但 Runable 接口的 run 方法沒有定義，因此我們可通過 lambda 表達(dá)式來生成 X 的實(shí)例，然后提供 run 方法的實(shí)現(xiàn)，就像 makeX 那樣。因此，你希望這個(gè)程序執(zhí)行后顯示的結(jié)果是：
 

x1
x2

如果你刪掉 getName 方法的調(diào)用，那么執(zhí)行結(jié)果變成：
 

MyTest$1@30ae8764
MyTest$1@123acf34

這兩行顯示出 makeX 方法的執(zhí)行來自兩個(gè)不同的實(shí)例，而這時(shí)當(dāng)前 OpenJDK 8 生成的（這里我使用的是 OpenJDK 8 24.0-b07）.

不管怎樣，當(dāng)前的 OpenJDK 8 并不能反映最終的 Java 8 的行為，為了解決這個(gè)問題，你需要使用特殊參數(shù) -XDlambdaToMethod 來運(yùn)行 javac 命令，在使用了這個(gè)參數(shù)后，運(yùn)行結(jié)果變成：

x2
x2

如果不調(diào)用 getName 方法，則顯示：
 

MyTest$$Lambda$1@5506d4ea
MyTest$$Lambda$1@5506d4ea

每個(gè)調(diào)用 makeX 方法似乎都是來自相同匿名內(nèi)部類的一個(gè)單例實(shí)例，如果觀察包含編譯后的 java class 文件的目錄，會(huì)發(fā)現(xiàn)并沒有一個(gè)名為 MyTestClass$$Lambda$1.class 的文件。

因?yàn)樵诰幾g時(shí)，lambda 表達(dá)式并沒有經(jīng)過完整的翻譯，事實(shí)上這個(gè)翻譯過程是在編譯和運(yùn)行時(shí)完成的，javac 編譯器將 lambda 表達(dá)式變成 JVM 新增的指令 invokedynamic (JSR292)。這個(gè)指令包含所有必須的關(guān)于在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行 lambda 表達(dá)式的元信息。包括要調(diào)用的方法名、輸入輸出類型以及一個(gè)名為 bootstrap 的方法。bootstrap 方法用于定義接收此方法調(diào)用的實(shí)例，一旦 JVM 執(zhí)行了 invokedynamic 指令，JVM 就會(huì)在特定的 bootstrap 上調(diào)用 lambda 元工廠方法 (lambda metafactory method)。

再回到剛才那個(gè)疑問中，lambda 表達(dá)式轉(zhuǎn)成了一個(gè)私有的靜態(tài)方法，() -> { System.out.println("X"); } 被轉(zhuǎn)到了 MyTest：
 

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

如果你用 javap 反編譯器并使用 -private 參數(shù)就可以看到這個(gè)方法，你也可以使用 -c 參數(shù)來查看更加完整的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)你運(yùn)行程序時(shí)，JVM 會(huì)調(diào)用 lambda metafactory method 來嘗試闡釋 invokedynamic 指令。在我們的例子中，首次調(diào)用 makeX 時(shí)，lambda metafactory method 生成一個(gè) X 的實(shí)例并動(dòng)態(tài)鏈接 run 方法到 lambda$0 方法. X 的實(shí)例接下來被存儲(chǔ)在內(nèi)存中，當(dāng)?shù)诙握{(diào)用 makeX 時(shí)就直接從內(nèi)存中讀取這個(gè)實(shí)例，因此你第二次調(diào)用的實(shí)例跟第一次是一樣的。
修復(fù)了嗎？有解決辦法嗎？

目前尚無這個(gè)問題直接的修復(fù)或者是解決辦法。盡管 Oracle 的 Java 8 計(jì)劃默認(rèn)激活-XDlambdaToMethod 參數(shù)，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)并不是 JVM 規(guī)范的一部分，因此不同供應(yīng)商和 JVM 的實(shí)現(xiàn)是不同的。對(duì)一個(gè) lambda 表達(dá)式而言，你唯一能期望的就是在類中實(shí)現(xiàn)你的接口方法。

其他的方法

到此為止，盡管我們對(duì) mixin 的模仿并不能兼容 Java 8，但還是可能通過多繼承和委派為已有的類添加多個(gè)服務(wù)。這個(gè)方法就是 virtual field pattern (虛擬字段模式).

所以來看看我們的 Switchable.
 

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

我們需要一個(gè)基于 Switchable 的接口，并提供一個(gè)附加的抽象方法返回 Switchable 的實(shí)現(xiàn)。集成的方法包含默認(rèn)的定義，它們使用 getter 來轉(zhuǎn)換到 Switchable 實(shí)現(xiàn)的調(diào)用：

public interface SwitchableView extends Switchable {
  Switchable getSwitchable();
 
 
  boolean isActive() default { return getSwitchable().isActive(); }
  void setActive(boolean active) default { getSwitchable().setActive(active); }
}

接下來，我們創(chuàng)建一個(gè)完整的 Switchable 實(shí)現(xiàn)：
 

public class SwitchableImpl implements Switchable {
 
 
  private boolean active;
 
 
  @Override
  public boolean isActive() {
    return active;
  }
 
 
  @Override
  public void setActive(boolean active) {
    this.active = active;
  }
}

這里是我們使用虛擬字段模式的例子：
 

public class Device {}
 
 
public class DeviceA extends Device implements SwitchableView {
  private Switchable switchable = new SwitchableImpl();
 
 
  @Override
  public Switchable getSwitchable() {
    return switchable;
  }
}
 
 
public class DeviceB extends Device implements SwitchableView {
  private Switchable switchable = new SwitchableImpl();
 
 
  @Override
  public Switchable getSwitchable() {
    return switchable;
  }
}

結(jié)論

在這篇文章中，我們使用了兩種方法通過 Java 8 的虛擬擴(kuò)展方法為類增加多個(gè)服務(wù)。第一個(gè)方法使用一個(gè) Map 來存儲(chǔ)實(shí)例狀態(tài)，這個(gè)方法很危險(xiǎn)，因?yàn)椴皇蔷€程安全而且存在內(nèi)存泄露問題，這完全依賴于不同的 JVM 對(duì) Java 語言的實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)方法是使用虛擬字段模式，通過一個(gè)抽象的 getter 來返回最終的實(shí)現(xiàn)實(shí)例。第二種方法更加獨(dú)立而且更加安全。

虛擬擴(kuò)展方法是 Java 的新特性，本文主要介紹的是多重繼承的實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)你會(huì)有更深入的研究以及應(yīng)用于其他方面，別忘了跟大家分享。

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