Java11中基于嵌套關(guān)系的訪問控制優(yōu)化詳解
前言
Java 語(yǔ)言很強(qiáng)大，但是，有人的地方就有江湖，有猿的地方就有 bug，Java 的核心代碼并非十全十美。比如在 JDK 中居然也有反模式接口常量 中介紹的反模式實(shí)現(xiàn)，以及本文說(shuō)到的這個(gè)技術(shù)債務(wù)：嵌套關(guān)系（NestMate）調(diào)用方式。
在 Java 語(yǔ)言中，類和接口可以相互嵌套，這種組合之間可以不受限制的彼此訪問，包括訪問彼此的構(gòu)造函數(shù)、字段、方法等。即使是private私有的，也可以彼此訪問。比如下面這樣定義：
public class Outer {
private int i;
public void print1() {
print11();
print12();
}
private void print11() {
System.out.println(i);
}
private void print12() {
System.out.println(i);
}
public void callInnerMethod() {
final Inner inner = new Inner();
inner.print4();
inner.print5();
System.out.println(inner.j);
}
public class Inner {
private int j;
public void print3() {
System.out.println(i);
print1();
}
public void print4() {
System.out.println(i);
print11();
print12();
}
private void print5() {
System.out.println(i);
print11();
print12();
}
}
}
上例中，Outer類中的字段i、方法print11和print12都是私有的，但是可以在Inner類中直接訪問，Inner類的字段j、方法print5是私有的，也可以在Outer類中使用。這種設(shè)計(jì)是為了更好的封裝，在用戶看來(lái)，這幾個(gè)彼此嵌套的類/接口是一體的，分開定義是為了更好的封裝自己，隔離不同特性，但是有因?yàn)楸舜耸且惑w，所以私有元素也應(yīng)該是共有的。
Java11 之前的實(shí)現(xiàn)方式
我們使用 Java8 編譯，然后借助javap -c命令分別查看Outer和Inner的結(jié)果。
$ javap -c Outer.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer {
public cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #4 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public void print1();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #2 // Method print11:()V
4: aload_0
5: invokespecial #1 // Method print12:()V
8: return
public void callInnerMethod();
Code:
0: new #7 // class cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner
3: dup
4: aload_0
5: invokespecial #8 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner."<init>":(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
8: astore_1
9: aload_1
10: invokevirtual #9 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.print4:()V
13: aload_1
14: invokestatic #10 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.access$000:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner;)V
17: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
20: aload_1
21: invokestatic #11 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.access$100:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner;)I
24: invokevirtual #6 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
27: return
static int access$200(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
Code:
0: aload_0
1: getfield #3 // Field i:I
4: ireturn
static void access$300(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #2 // Method print11:()V
4: return
static void access$400(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method print12:()V
4: return
}
再來(lái)看看Inner的編譯結(jié)果，這里需要注意的是，內(nèi)部類會(huì)使用特殊的命名方式定義Inner類，最終會(huì)將編譯結(jié)果存儲(chǔ)在兩個(gè)文件中：
$ javap -c Outer\$Inner.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner {
final cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer this$0;
public cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: putfield #3 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
5: aload_0
6: invokespecial #4 // Method java/lang/Object."<init>":()V
9: return
public void print3();
Code:
0: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: aload_0
4: getfield #3 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
7: invokestatic #6 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$200:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)I
10: invokevirtual #7 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
13: aload_0
14: getfield #3 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
17: invokevirtual #8 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.print1:()V
20: return
public void print4();
Code:
0: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: aload_0
4: getfield #3 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
7: invokestatic #6 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$200:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)I
10: invokevirtual #7 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
13: aload_0
14: getfield #3 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
17: invokestatic #9 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$300:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
20: aload_0
21: getfield #3 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
24: invokestatic #10 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$400:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
27: return
static void access$000(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner);
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #2 // Method print5:()V
4: return
static int access$100(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner);
Code:
0: aload_0
1: getfield #1 // Field j:I
4: ireturn
}
我們可以看到，Outer和Inner中多出了幾個(gè)方法，方法名格式是access$*00。
Outer中的access$200方法返回了屬性i，access$300和access$400分別調(diào)用了print11和print12方法。這些新增的方法都是靜態(tài)方法，作用域是默認(rèn)作用域，即包內(nèi)可用。這些方法最終被Inner類中的print3和print4調(diào)用，相當(dāng)于間接調(diào)用Outer中的私有屬性或方法。
我們稱這些生成的方法為“橋”方法（Bridge Method），是一種實(shí)現(xiàn)嵌套關(guān)系內(nèi)部互相訪問的方式。
在編譯的時(shí)候，Java 為了保持類的單一特性，會(huì)將嵌套類編譯到多個(gè) class 文件中，同時(shí)為了保證嵌套類能夠彼此訪問，自動(dòng)創(chuàng)建了調(diào)用私有方法的“橋”方法，這樣，在保持原有定義不變的情況下，又實(shí)現(xiàn)了嵌套語(yǔ)法。
技術(shù)債務(wù)
“橋”方法的實(shí)現(xiàn)是比較巧妙的，但是這會(huì)造成源碼與編譯結(jié)果訪問控制權(quán)限不一致，比如，我們可以在Inner中調(diào)用Outer中的私有方法，按照道理來(lái)說(shuō)，我們可以在Inner中通過(guò)反射調(diào)用Outer的方法，但實(shí)際上不行，會(huì)拋出IllegalAccessException異常。我們驗(yàn)證一下：
public class Outer {
// 省略其他方法
public void callInnerReflectionMethod()
throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException {
final Inner inner = new Inner();
inner.callOuterPrivateMethod(this);
}
public class Inner {
// 省略其他方法
public void callOuterPrivateMethod(Outer outer)
throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
final Method method = outer.getClass().getDeclaredMethod("print12");
method.invoke(outer);
}
}
}
定義測(cè)試用例：
@Test
void gotAnExceptionInJava8() {
final Outer outer = new Outer();
final Exception e = assertThrows(IllegalAccessException.class, outer::callInnerReflectionMethod);
e.printStackTrace();
assertDoesNotThrow(outer::callInnerMethod);
}
打印的異常信息是：
java.lang.IllegalAccessException: class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner cannot access a member of class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer with modifiers "private"
at java.base/jdk.internal.reflect.Reflection.newIllegalAccessException(Reflection.java:361)
at java.base/java.lang.reflect.AccessibleObject.checkAccess(AccessibleObject.java:591)
at java.base/java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:558)
at cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner.callOuterPrivateMethod(Outer.java:62)
at cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer.callInnerReflectionMethod(Outer.java:36)
通過(guò)反射直接調(diào)用私有方法會(huì)失敗，但是可以直接的或者通過(guò)反射訪問這些“橋”方法，這樣就比較奇怪了。所以提出 JEP181 改進(jìn)，修復(fù)這個(gè)技術(shù)債務(wù)的同時(shí)，為后續(xù)的改進(jìn)鋪路。
Java11 中的實(shí)現(xiàn)
我們?cè)賮?lái)看看 Java11 編譯之后的結(jié)果：
$ javap -c Outer.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer {
public cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public void print1();
Code:
0: aload_0
1: invokevirtual #2 // Method print11:()V
4: aload_0
5: invokevirtual #3 // Method print12:()V
8: return
public void callInnerMethod();
Code:
0: new #7 // class cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner
3: dup
4: aload_0
5: invokespecial #8 // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner."<init>":(Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;)V
8: astore_1
9: aload_1
10: invokevirtual #9 // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.print4:()V
13: aload_1
14: invokevirtual #10 // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.print5:()V
17: getstatic #4 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
20: aload_1
21: getfield #11 // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.j:I
24: invokevirtual #6 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
27: return
}
是不是很干凈，與Outer類的源碼結(jié)構(gòu)是一致的。我們?cè)倏纯碔nner有沒有什么變化：
$ javap -c Outer\$Inner.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner {
final cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer this$0;
public cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner(cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer);
Code:
0: aload_0
1: aload_1
2: putfield #1 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
5: aload_0
6: invokespecial #2 // Method java/lang/Object."<init>":()V
9: return
public void print3();
Code:
0: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: aload_0
4: getfield #1 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
7: getfield #4 // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.i:I
10: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
13: aload_0
14: getfield #1 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
17: invokevirtual #6 // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print1:()V
20: return
public void print4();
Code:
0: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: aload_0
4: getfield #1 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
7: getfield #4 // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.i:I
10: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
13: aload_0
14: getfield #1 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
17: invokevirtual #7 // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print11:()V
20: aload_0
21: getfield #1 // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
24: invokevirtual #8 // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print12:()V
27: return
}
同樣干凈。
我們?cè)谕ㄟ^(guò)測(cè)試用例驗(yàn)證一下反射調(diào)用：
@Test
void doesNotGotAnExceptionInJava11() {
final Outer outer = new Outer();
assertDoesNotThrow(outer::callInnerReflectionMethod);
assertDoesNotThrow(outer::callInnerMethod);
}
結(jié)果是正常運(yùn)行。
這就是 JEP181 期望的結(jié)果，源碼和編譯結(jié)果一致，訪問控制一致。
Nestmate 新增的 API
在 Java11 中還新增了幾個(gè) API，用于嵌套關(guān)系的驗(yàn)證：
getNestHost
這個(gè)方法是返回嵌套主機(jī)（NestHost），轉(zhuǎn)成普通話就是找到嵌套類的外層類。對(duì)于非嵌套類，直接返回自身（其實(shí)也算是返回外層類）。
我們看下用法：
@Test
void checkNestHostName() {
final String outerNestHostName = Outer.class.getNestHost().getName();
assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer", outerNestHostName);
final String innerNestHostName = Inner.class.getNestHost().getName();
assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer", innerNestHostName);
assertEquals(outerNestHostName, innerNestHostName);
final String notNestClass = NotNestClass.class.getNestHost().getName();
assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.NotNestClass", notNestClass);
}
對(duì)于Outer和Inner都是返回了cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer。
getNestMembers
這個(gè)方法是返回嵌套類的嵌套成員數(shù)組，下標(biāo)是 0 的元素確定是 NestHost 對(duì)應(yīng)的類，其他元素順序沒有給出排序規(guī)則。我們看下使用：
@Test
void getNestMembers() {
final List<String> outerNestMembers = Arrays.stream(Outer.class.getNestMembers())
.map(Class::getName)
.collect(Collectors.toList());
assertEquals(2, outerNestMembers.size());
assertTrue(outerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer"));
assertTrue(outerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner"));
final List<String> innerNestMembers = Arrays.stream(Inner.class.getNestMembers())
.map(Class::getName)
.collect(Collectors.toList());
assertEquals(2, innerNestMembers.size());
assertTrue(innerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer"));
assertTrue(innerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner"));
}
isNestmateOf
這個(gè)方法是用于判斷兩個(gè)類是否是彼此的 NestMate，彼此形成嵌套關(guān)系。判斷依據(jù)還是嵌套主機(jī)，只要相同，兩個(gè)就是 NestMate。我們看下使用：
@Test
void checkIsNestmateOf() {
assertTrue(Inner.class.isNestmateOf(Outer.class));
assertTrue(Outer.class.isNestmateOf(Inner.class));
}
后續(xù)的改進(jìn)
嵌套關(guān)系是作為 Valhalla 項(xiàng)目的一部分，這個(gè)項(xiàng)目的主要目標(biāo)之一是改進(jìn) JAVA 中的值類型和泛型。后續(xù)會(huì)有更多的改進(jìn)：
- 在泛型特化（generic specialization）中，每個(gè)特化類型（specialized type）可被創(chuàng)建為泛型的一個(gè) Nestmate。
- 支持對(duì)Unsafe.defineAnonymousClass() API 的安全替換，實(shí)現(xiàn)將新類創(chuàng)建為已有類的 Nestmate。
- 可能會(huì)影響“密封類”（sealed classes），僅允許 Nestmate 的子類作為密封類。
- 可能會(huì)影響私有嵌套類型。私有嵌套類型當(dāng)前定義為包內(nèi)可訪問（package-access）。
文末總結(jié)
本文闡述了基于嵌套關(guān)系的訪問控制優(yōu)化，其中涉及NestMate、NestHost、NestMember等概念。這次優(yōu)化是 Valhalla 項(xiàng)目中一部分，主要改進(jìn) Java 中的值類型和泛型等。
到此這篇關(guān)于Java11中基于嵌套關(guān)系的訪問控制優(yōu)化的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java11嵌套關(guān)系的訪問控制內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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