Java那些不为人知的特殊方法

原文链接译文链接,原文作者: Peter Verhas,译者:有孚,本文最早发表于deepinmind

如果你用过反射并且执行过getDeclaredMethods方法的话,你可能会感到很吃惊。你会发现出现了很多源代码里没有的方法。如果你看一下这些方法的修饰符的话,可能会发现里面有些方法是volatile的。顺便说一句,如果在Java面试里问到“什么是volatile方法?”,你可能会吓出一身冷汗。正确的答案是没有volatile方法。但同时,getDeclaredMethods()或者getMethods()返回的这些方法,Modifier.isVolatile(method.getModifiers())的结果却是true。

immutator的一些用户遇到过这样的问题。他们发现,使用immutator(这个项目探索了Java的一些不为人知的细节)生成的Java代码使用volatile了作为方法的关键字,而这样的代码没法通过编译。结果就是这根本没法用。

这是怎么回事?syntethic和bridge方法又是什么?

可见性

当你创建一个嵌套类的时候,它的私有变量和方法对上层的类是可见的。这个在不可变嵌套式Builder模式中用到了。这是Java语言规范里已经定义好的一个行为。

package synthetic;

public class SyntheticMethodTest1 {
    private A aObj = new A();

    public class A {
        private int i;
    }

    private class B {
        private int i = aObj.i;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SyntheticMethodTest1 me = new SyntheticMethodTest1();
        me.aObj.i = 1;
        B bObj = me.new B();
        System.out.println(bObj.i);
    }
}

JVM是如何处理这个的?它可不知道什么是内部类或者嵌套类的。JVM对所有的类都一视同仁,它都认为是顶级类。所有类都会被编译成顶级类,而那些内部类编译完后会生成…$… class的类文件。

$ ls -Fart
../                         SyntheticMethodTest2$A.class  MyClass.java  SyntheticMethodTest4.java  SyntheticMethodTest2.java
SyntheticMethodTest2.class  SyntheticMethodTest3.java     ./            MyClassSon.java            SyntheticMethodTest1.java

如果你创建一个内部类的话,它会被彻底编译成一个顶级类。

那这些私有变量又是如何被外部类访问的呢?如果它们是个顶级类的私有变量(它们的确也是),那为什么别的类还能直接访问这些变量?

javac是这样解决这个问题的,对于任何private的字段,方法或者构造函数,如果它们也被其它顶层类所使用,就会生成一个synthetic方法。这些synthetic方法是用来访问最初的私有变量/方法/构造函数的。这些方法的生成也很智能:只有确实被外部类用到了,才会生成这样的方法。

package synthetic;

import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Method;

public class SyntheticMethodTest2 {

    public static class A {
        private A(){}
        private int x;
        private void x(){};
    }

    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.x = 2;
        a.x();
        System.out.println(a.x);
        for (Method m : A.class.getDeclaredMethods()) {
            System.out.println(String.format("%08X", m.getModifiers()) + " " + m.getName());
        }
        System.out.println("--------------------------");
        for (Method m : A.class.getMethods()) {
            System.out.println(String.format("%08X", m.getModifiers()) + " " + m.getReturnType().getSimpleName() + " " + m.getName());
        }
        System.out.println("--------------------------");
        for( Constructor<?> c : A.class.getDeclaredConstructors() ){
            System.out.println(String.format("%08X", c.getModifiers()) + " " + c.getName());
        }
    }
}

这些生成的方法的名字取决于具体的实现,最后叫什么也不好说。我只能说在我运行的这个平台上,上述程序的输出是这样的:

2
00001008 access$1
00001008 access$2
00001008 access$3
00000002 x
--------------------------
00000111 void wait
00000011 void wait
00000011 void wait
00000001 boolean equals
00000001 String toString
00000101 int hashCode
00000111 Class getClass
00000111 void notify
00000111 void notifyAll
--------------------------
00000002 synthetic.SyntheticMethodTest2$A
00001000 synthetic.SyntheticMethodTest2$A

在上面这个程序中,我们给变量x赋值,然后又调用了一个同名的方法。这会触发编译器生成对应的synthetic方法。你会看到它生成了三个方法,应该是x变量的setter和getter方法,以及x()方法对应的一个synthetic方法。这些方法并不存在于getMethods方法里返回的列表中,因为它们是synthetic方法,是不能直接被调用的。从这点来看,它们和私有方法差不多。

看一下java.lang.reflect.Modifier里面定义的常量,可以明白这些十六进制的数字代表的是什么:

00001008 SYNTHETIC|STATIC
00000002 PRIVATE
00000111 NATIVE|FINAL|PUBLIC
00000011 FINAL|PUBLIC
00000001 PUBLIC
00001000 SYNTHETIC

列表中有两个是构造方法。还有一个私有方法以及一个synthetic方法。存在这个私有方法是因为我们确实定义了它。而synthetic方法的出现是因为我们从外部类调用了它内部的私有成员。到目前为止,还没有出现过bridge方法。

泛型和继承

到目前为止,看起来还不错。不过我们还没有看到”volatile”方法。

看一下java.lang.reflect.Modifier的源码你会发现0x00000040这个常量被定义了两次。一次是定义成VOLATILE,还有一次是BRIDGE(后者是包内部私有的,并不对外开放)。

想出现volatile方法的话,写个简单的程序就行了:

package synthetic;

import java.lang.reflect.Method;
import java.util.LinkedList;

public class SyntheticMethodTest3 {

    public static class MyLink extends LinkedList {
        @Override
        public String get(int i) {
            return "";
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (Method m : MyLink.class.getDeclaredMethods()) {
            System.out.println(String.format("%08X", m.getModifiers()) + " " + m.getReturnType().getSimpleName() + " " + m.getName());
        }
    }
}

这个链表有一个返回String的get(int)方法。先别讨论代码整不整洁的问题了。这只是段示例代码而已。整洁的代码当然也会出现同样的问题,不过越复杂的代码越难定位问题罢了。

输出的结果是这样的:

00000001 String get
00001041 Object get

这里有两个get方法。一个是代码里的那个,另外一个是synthetic和bridge方法。用javap反编译后会是这样的:

public java.lang.String get(int);
  Code:
   Stack=1, Locals=2, Args_size=2
   0:   ldc     #2; //String
   2:   areturn
  LineNumberTable:
   line 12: 0

public java.lang.Object get(int);
  Code:
   Stack=2, Locals=2, Args_size=2
   0:   aload_0
   1:   iload_1
   2:   invokevirtual   #3; //Method get:(I)Ljava/lang/String;
   5:   areturn

有趣的是,两个方法的签名是一模一样的,只有返回类型不同。这个在JVM里面是合法的,不过在Java语言里可不允许。bridge的这个方法不干别的,就只是去调用了下原始的那个方法。

为什么我们需要这个synthetic方法呢,谁会调用它?比如现在有段代码想要调用一个非MyLink类型变量的get(int)方法:

List<?> a = new MyLink();
        Object z = a.get(0);

它不能调用返回String的方法,因为List里没这样的方法。为了解释的更清楚一点,我们重写下add方法而不是get方法:

package synthetic;

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

public class SyntheticMethodTest4 {

    public static class MyLink extends LinkedList {
        @Override
        public boolean add(String s) {
            return true;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        List a = new MyLink();
        a.add("");
        a.add(13);
    }
}

我们会发现这个bridge方法

public boolean add(java.lang.Object);
  Code:
   Stack=2, Locals=2, Args_size=2
   0:   aload_0
   1:   aload_1
   2:   checkcast       #2; //class java/lang/String
   5:   invokevirtual   #3; //Method add:(Ljava/lang/String;)Z
   8:   ireturn

它不仅调用了原始的方法,它还进行了类型检查。这个检查是在运行时进行的,并不是由JVM自己来完成。正如你所想,在18行的地方会抛出一个异常:

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String
    at synthetic.SyntheticMethodTest4$MyLink.add(SyntheticMethodTest4.java:1)
    at synthetic.SyntheticMethodTest4.main(SyntheticMethodTest4.java:18)

下次如果你在面试中被问到volatile方法的话,说不定面试官知道的还没你多:-)

译者注:其实作者说到最后也没讲完到底什么是volatile方法,其实volatile方法如篇首所说,是不存在的,所谓的volatile方法就是指bridge方法。由于在修饰符中volatile和bridge是同一个值,在之前版本的javap中存在一个BUG,一个bridge方法在反编译后会显示成volatile,所以存在”volatile方法”的说法。

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-之诸暇

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  • Comments (3)
    • 付政委
    • 04/16. 2014 2:41pm

    不错

    • Anonymous
    • 04/30. 2014 10:09am

    请问一下
    System.out.println(String.format(“%08X”, m.getModifiers()) + ” ” + m.getName());
    这样的代码是能够执行的吗

      • Anonymous
      • 04/30. 2014 10:12am

      额…搞错了, 可能刚才页面有些问题,乱了

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