Java语法糖和Java编译器

Java语法和Java字节码之间的差异，都是通过Java编译器来协调的。

自动装箱与自动拆箱

自动装箱(auto-boxing)与自动拆箱(auto-unboxing)。

Java语言拥有8个基本类型，每个基本类型都有对应的包装(wrapper)类型。之所以需要包装类型，是因为许多Java核心类库的API都是面向对象的。如Java核心类库中的容器类，就只支持引用类型。

当需要一个能够存储数值的容器类时，往往定义一个存储包装类对象的容器。对于基本类型的数值来说，需要先将其转换为对应的包装类，再存图容器之中。在Java程序中，这个转换可以是显式，也可以是隐式的，后者正是Java中的自动装箱。

自动装拆箱示例

public int foo() {
    ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
    list.add(0);
    int result = list.get(0);
    return result;
}

上述Java代码中，构造了一个Integer类型的ArrayList，并且向其中添加一个int值0。然后获取该ArrayList的第0个元素，并作为int值返回给调用者。

public int foo();
  Code:
     0: new java/util/ArrayList
     3: dup
     4: invokespecial java/util/ArrayList."<init>":()V
     7: astore_1
     8: aload_1
     9: iconst_0
    10: invokestatic java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
    13: invokevirtual java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z
    16: pop
    17: aload_1
    18: iconst_0
    19: invokevirtual java/util/ArrayList.get:(I)Ljava/lang/Object;
    22: checkcast java/lang/Integer
    25: invokevirtual java/lang/Integer.intValue:()I
    28: istore_2
    29: iload_2
    30: ireturn

当向泛型参数为Integer的ArrayList添加int值时，便需要用到自动装箱了。在上述字节码偏移量为10的指令中，调用了Integer.valueOf方法，将int类型的值转换为Integer类型，再存储至容器类中。

public static Integer valueOf(int i) {
    if(i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

Integer.valueOf源代码，当请求的int值再某个范围内时，会返回缓存了的Integer对象；而当所请求的int值再范围之外时，则会新建一个Integer对象。

配置参数java.lang.Integer.IntegerCache.high，扩大Integer缓存的范围。JVM参数-XX:+AggressiveOpts也会将IntegerCache.high调整至20000。

但是Java并不支持对IntegerCache.low的更改，对于小于-128的整数，无法直接使用由Java核心类库所缓存的Integer对象。

当从泛型参数为Integer的ArrayList取出元素时，得到的实际上也是Integer对象。如果应用程序期待的是一个int值，那么就会发生自动拆箱。

自动拆箱对应的是字节码偏移量为25的指令。该指令将调用Integer.intValue方法。这是一个实例方法，直接返回Integer对象所存储的int值。

泛型与类型擦除

示例中生成的字节码，往ArrayList中添加元素的add方法，所接受的参数类型是Object；而从ArrayList中获取元素的get方法，其返回类型也是Object。

后者返回类型，在字节码中需要进行向下转换，将所返回的Object强制转换为Integer，方能进行接下来的自动拆箱。

之所以出现这种情况，是因为Java泛型的类型擦除：Java程序里的泛型信息，在JVM里全部都丢失了，这么做是为了兼容引入泛型之前的代码。

但并不是每一个泛型参数被擦除类型后都会变成Object类。对于限定了继承类的泛型参数，经过类型擦除后，所有的泛型类型都将变成所限定的继承类。Java编译器将选取该泛型所能指代的所有类中层次最高的那个，作为替换泛型的类。

泛型与类型擦除示例

//定义了一个T extends Number的泛型参数。
class GenericTest<T extends Number> {
  T foo(T t) {
    return t;
  }
}

T foo(T);
  descriptor: (Ljava/lang/Number;)Ljava/lang/Number;
  flags: (0x0000)
  Code:
    stack=1, locals=2, args_size=2
       0: aload_1
       1: areturn
  Signature: (TT;)TT;

foo方法的方法描述符所接收参数的类型以及返回类型都为Number。方法描述符是JVM识别方法调用的目标方法的关键。

字节码中仍存在泛型参数的信息，方法声明里的T foo(T)，以及方法签名(Signature)中的”(TT;)TT;”。这类信息主要由Java编译器在编译他类时使用。

泛型会被类型擦除，但依然必要。Java编译器可以根据泛型参数判断程序中的语法是否正确。尽管经过类型擦除后，ArrayList.add方法所接收的参数是Object类型，但是往泛型参数为Integer类型的ArrayList中添加字符串对象，Java编译器是会报错的。

桥接方法

参数类型不同

泛型的类型擦除带来了不少问题。其中一个是方法重写。但通过桥接方法可以解决参数类型不匹配问题。

桥接不同参数类型

class Merchant<T extends Customer> {
    public double actionPrice(T customer) {
        return 0.0d;
    }
}

class VIPOnlyMerchant extends Merchant<VIP> {
    @Override
    public double actionPrice(VIP customer) {
        return 0.0d;
    }
}

class VIPOnlyMerchant extends Merchant<VIP>
...
  public double actionPrice(VIP);
    descriptor: (LVIP;)D
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
         0: dconst_0
         1: dreturn

  public double actionPrice(Customer);
    descriptor: (LCustomer;)D
    flags: (0x1041) ACC_PUBLIC, ACC_BRIDGE, ACC_SYNTHETIC
    Code:
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: checkcast class VIP
         5: invokevirtual actionPrice:(LVIP;)D
         8: dreturn

// 这个桥接方法等同于
public double actionPrice(Customer customer) {
  return actionPrice((VIP) customer);
}

VIPOnlyMerchant中的actionPrice方法经过类型擦除后，父类的方法描述符为(LCustomer;)D，而子类的方法描述符为(LVIP;)D。这显然不符合JVM关于方法重写的定义。

为了保证编译而成的Java字节码能够保留重写的语义，Java编译器额外添加了一个桥接方法。该桥接方法在字节码层面重写了父类的方法，并将调用子类的方法。

VIPOnlyMerchant类包含一个桥接方法actionPrice(Customer)，它重写了父类的同名同方法描述符的方法。该桥接方法将传入的Customer参数强制转换为VIP类型，再调用原本的actionPrice(VIP)方法。

当一个声明类型为Merchant，实际类型为VIPOnlyMerchant的对象，调用actionPrice方法时，字节码里的符号引用指向的是Merchant.actionPrice(Customer)方法。JVM将动态绑定至VIPOnlyMerchant类的桥接方法之中，并且调用其actionPrice(VIP)方法。

在Javap的输出中，该桥接方法的访问标识符除了代表桥接方法的ACC_BRIDGE之外，还有ACC_SYNTHETIC。它表示该方法对于Java源代码来说是不可见的。当尝试通过传入一个声明类型为Customer的对象作为参数，调用VIPOnlyMerchant类的actionPrice方法时，Java编译器会报错，并且提示参数类型不匹配。

Customer customer = new VIP();
new VIPOnlyMerchant().actionPrice(customer); // 编译出错

返回类型不同

如果子类定义了一个与父类参数类型相同的方法，其返回类型为父类方法返回类型的子类，那么Java编译器也会为其生成桥接方法。

桥接不同返回类型

class Merchant {
    public Number actionPrice(Customer customer) {
        return 0;
    }
}

class NativeMerchant extends Merchant {
    @Override
    public Double actionPrice(Customer customer) {
        return 0.0D;
    }
}

class NaiveMerchant extends Merchant
  public java.lang.Double actionPrice(Customer);
    descriptor: (LCustomer;)Ljava/lang/Double;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: dconst_0
         1: invokestatic Double.valueOf:(D)Ljava/lang/Double;
         4: areturn

  public java.lang.Number actionPrice(Customer);
    descriptor: (LCustomer;)Ljava/lang/Number;
    flags: (0x1041) ACC_PUBLIC, ACC_BRIDGE, ACC_SYNTHETIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: invokevirtual actionPrice:(LCustomer;)Ljava/lang/Double;
         5: areturn

该桥接方法标注了ACC_SYNTHETIC不可见，当在Java程序中调用NativeMerchant.actionPrice时，只会调用到原方法。

class文件里允许出现两个同名、同参数类型但是不同返回类型的方法。原方法与桥接方法便是例子。

其他语法糖

变长参数
try-with-resources以及在同一catch代码块中捕获多种异常等语法糖。

foreach循环允许Java程序在for循环里遍历数组或者Iterable对象。

foreach循环数组

对于数组来说，foreach循环将从0开始逐一访问数组中的元素，直至数组的末尾。

public void foo(int[] array) {
    for(int item : array) {

    }
}

public void bar(int[] array) {
    int[] myArray = array;
    int length = myArray.length;
    for(int i=0; i < length; i++) {
        int item = myArray[i];
    }
}

foreach循环Iterator

对于Iterable对象来说，foreach循环将调用其iterator方法，并且用它的hasNext以及next方法来遍历该Iterable对象中的元素。

public void foo(ArrayList<Integer> list) {
    for(Integer item : list) {
    }
}

public void bar(ArrayList<Integer> list) {
    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Integer item = iterator.next();
    }
}

字符串switch

字符串switch编译而成的字节码看起来非常复杂，但实际上就是一个哈希桶。由于每个case所截获的字符串都是常量值，因此，Java编译器会将原来的字符串switch转换为int值switch，比较所输入的字符串的哈希值。

由于字符串哈希值很容易发生碰撞，因此，还需要用String.equals逐个比较相同哈希值的字符串。

总结

基本类型和其包装类型之间的自动转换，也就是自动装箱、自动拆箱，是通过加入[Wrapper].valueOf(如Integer.valueOf)以及[Wrapper].[primitive]Value(如Integer.intValue)方法调用来实现的。

Java程序中的泛型信息会被擦除。Java编译器将选取该泛型所能指代的所有类中层次最高的那个，作为替换泛型的具体类。

由于Java语义与Java字节码中关于重写的定义并不一致，因此Java编译器会生成桥接方法作为适配器。