Java里的MethodHandles是什么？它和反射有什么区别？

在本文中，我们将探讨一个重要的API，它是在Java7中引入的，并在以后的jdk版本中得到了增强，即java.lang.invoke.MethodHandles。

特别是，我们将学习什么是方法句柄（method handles），如何创建它们以及如何使用它们。

什么是方法句柄？

如API文件中所述，关于其定义：

方法句柄是对基础方法、构造函数、字段或类似低级操作的类型化、直接可执行的引用，具有参数或返回值的可选转换。

更简单地说，方法句柄是一种用于查找、调整和调用方法的低级机制。

方法句柄是不可变的，并且没有可见的状态。

要创建和使用MethodHandle，需要4个步骤：

1. 创建lookup
2. 创建method type
3. 查找方法句柄
4. 调用方法句柄

方法句柄与反射

引入方法句柄是为了与现有的java.lang.reflect API一起工作，因为它们具有不同的用途和不同的特性。

从性能角度来看，MethodHandles API可能比Reflection API快得多，因为访问检查是在创建时而不是在执行时进行的。如果存在安全管理器，则这种差异会被放大，因为成员和类查找要接受额外的检查。

然而，考虑到性能并不是任务的唯一适用性度量，我们还必须考虑到，由于缺乏成员类枚举、可访问性标志检查等机制，MethodHandles API更难使用。

即便如此，MethodHandles API提供了柯里化方法、更改参数类型和更改其顺序的可能性。

有了MethodHandles API的清晰定义和目标，我们现在可以从lookup开始使用它们。

创建Lookup

当我们想要创建方法句柄时，要做的第一件事是检索查找Lookup，即负责为查找类可见的方法、构造函数和字段创建方法句柄的工厂对象。

通过MethodHandles API，可以创建具有不同访问模式的查找对象。

让我们创建一个提供对公共方法访问的查找：

MethodHandles.Lookup publicLookup = MethodHandles.publicLookup();

然而，如果我们也想访问私有和受保护的方法，我们可以使用lookup()方法：

MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();

创建MethodType

为了能够创建MethodHandle，查找对象需要其类型的定义，这是通过MethodType类实现的。

特别是，MethodType表示方法句柄接受和返回的参数和返回类型，或方法句柄调用程序传递和期望的参数和返回类型。

MethodType的结构很简单，它由一个返回类型和适当数量的参数类型组成，这些参数类型必须在方法句柄及其所有调用方之间正确匹配。

与MethodHandle相同，即使是MethodType的实例也是不可变的。

让我们看看如何定义一个MethodType，该MethodType将java.util.List类指定为返回类型，将Object数组指定为输入类型：

MethodType mt = MethodType.methodType(List.class, Object[].class);

如果该方法返回基本类型或void作为其返回类型，我们将使用表示这些类型的类（void.class、int.class…）。

让我们定义一个返回int值并接受Object的MethodType：

MethodType mt = MethodType.methodType(int.class, Object.class);

我们现在可以继续创建MethodHandle。

找到方法句柄

一旦我们定义了方法类型，为了创建MethodHandle，我们必须通过lookup或publicLookup对象找到它，同时提供原始类和方法名称。

特别是，查找工厂提供了一组方法，使我们能够在考虑方法范围的情况下以适当的方式找到方法句柄。从最简单的场景开始，让我们探究主要的场景。

方法的MethodHandle

使用findVirtual()方法可以为对象方法创建一个MethodHandle。让我们根据String类的concat()方法创建一个：

MethodType mt = MethodType.methodType(String.class, String.class);
MethodHandle concatMH = publicLookup.findVirtual(String.class, "concat", mt);

静态方法的方法句柄

当我们想要访问静态方法时，我们可以使用findStatic()方法：

MethodType mt = MethodType.methodType(List.class, Object[].class);

MethodHandle asListMH = publicLookup.findStatic(Arrays.class, "asList", mt);

在本例中，我们创建了一个方法句柄，用于将对象数组转换为对象列表。

构造函数的方法句柄

可以使用findConstructor()方法访问构造函数。

让我们创建一个方法句柄，它充当Integer类的构造函数，接受String属性：

MethodType mt = MethodType.methodType(void.class, String.class);

MethodHandle newIntegerMH = publicLookup.findConstructor(Integer.class, mt);

字段的方法句柄

使用方法句柄也可以访问字段。

让我们开始定义Book类：

public class Book {
    
    String id;
    String title;

    // constructor

}

先决条件是方法句柄和声明的属性之间具有直接访问可见性，我们可以创建一个充当getter的方法句柄：

MethodHandle getTitleMH = lookup.findGetter(Book.class, "title", String.class);

有关处理变量/字段的更多信息，请参阅Java 9 Variable Handles：https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/docs/api/java.base/java/lang/invoke/VarHandle.html

私有方法的方法句柄

在java.lang.reflect API的帮助下，可以为私有方法创建方法句柄。

让我们开始向Book类添加一个私有方法：

private String formatBook() {
    return id + " > " + title;
}

现在，我们可以创建一个与formatBook()方法完全相同的方法句柄：

Method formatBookMethod = Book.class.getDeclaredMethod("formatBook");
formatBookMethod.setAccessible(true);

MethodHandle formatBookMH = lookup.unreflect(formatBookMethod);

调用方法句柄

一旦我们创建了方法句柄，下一步就是使用它们。特别是，MethodHandle类提供了3种不同的方法来执行方法句柄：invoke()、invokeWithAruments()和invokeExact()。

让我们从invoke选项开始。

当使用invoke()方法时，我们强制要固定的参数数量，但我们允许执行参数和返回类型的强制转换和装箱/取拆箱。

让我们看看如何使用带框参数的invoke（）：

MethodType mt = MethodType.methodType(String.class, char.class, char.class);
MethodHandle replaceMH = publicLookup.findVirtual(String.class, "replace", mt);

String output = (String) replaceMH.invoke("jovo", Character.valueOf('o'), 'a');

assertEquals("java", output);

在这种情况下，replaceMH需要char参数，但invoke（）在执行之前会对Character参数执行开箱操作。

使用参数调用

使用invokeWithArguments方法调用方法句柄是三个选项中限制最小的一个。

事实上，除了参数和返回类型的强制转换和装箱/取消装箱外，它还允许变量arity调用。

在实践中，这允许我们从一个int值数组开始创建一个Integer列表：

MethodType mt = MethodType.methodType(List.class, Object[].class);
MethodHandle asList = publicLookup.findStatic(Arrays.class, "asList", mt);

List<Integer> list = (List<Integer>) asList.invokeWithArguments(1,2);

assertThat(Arrays.asList(1,2), is(list));

调用Exact

如果我们想在执行方法句柄的方式上更加严格（参数的数量及其类型），我们必须使用invokeExact（）方法。

事实上，它没有为所提供的类提供任何类型转换，并且需要固定数量的参数。

让我们看看如何使用方法句柄对两个int值求和：

MethodType mt = MethodType.methodType(int.class, int.class, int.class);
MethodHandle sumMH = lookup.findStatic(Integer.class, "sum", mt);

int sum = (int) sumMH.invokeExact(1, 11);

assertEquals(12, sum);

如果在这种情况下，我们决定向invokeExact方法传递一个不是int的数字，那么调用将导致WrongMethodTypeException。

使用数组

MethodHandles不仅用于字段或对象，还用于数组。事实上，使用asSpreader（）API，可以生成一个数组扩展方法句柄。

在这种情况下，方法句柄接受一个数组参数，将其元素扩展为位置参数，并可以选择数组的长度。

让我们看看如何扩展方法句柄来检查数组中的元素是否相等：

MethodType mt = MethodType.methodType(boolean.class, Object.class);
MethodHandle equals = publicLookup.findVirtual(String.class, "equals", mt);

MethodHandle methodHandle = equals.asSpreader(Object[].class, 2);

assertTrue((boolean) methodHandle.invoke(new Object[] { "java", "java" }));

增强方法句柄

一旦我们定义了一个方法句柄，就可以通过将方法句柄绑定到一个参数来增强它，而无需实际调用它。

例如，在Java9中，这种行为用于优化字符串连接。

让我们看看如何执行串联，将后缀绑定到我们的concatMH：

MethodType mt = MethodType.methodType(String.class, String.class);
MethodHandle concatMH = publicLookup.findVirtual(String.class, "concat", mt);

MethodHandle bindedConcatMH = concatMH.bindTo("Hello ");

assertEquals("Hello World!", bindedConcatMH.invoke("World!"));

Java 9增强功能

在Java9中，对MethodHandles API进行了一些增强，目的是使其更易于使用。

这些增强影响了3个主要主题：

• 查找函数–允许从不同上下文中查找类，并支持接口中的非抽象方法
• 参数处理——改进参数折叠、参数收集和参数传播功能
• 附加组合–添加循环（loop、whileLoop、doWhileLoop…），并通过tryFinally提供更好的异常处理支持

这些变化带来了一些额外的好处：

• 增加JVM编译器优化
• 实例化减少
• 在使用MethodHandles API时启用了精度

有关所做增强的详细信息，请参阅MethodHandles API Javadoc：https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/docs/api/java.base/java/lang/invoke/MethodHandles.html

结论

在本文中，我们介绍了MethodHandles API、它们是什么以及如何使用它们。

我们还讨论了它与反射API的关系，由于方法句柄允许低级别操作，因此最好避免使用它们，除非它们完全适合工作范围。

源码地址：https://github.com/eugenp/tutorials/tree/master/core-java-modules/core-java-9

原文链接：https://www.baeldung.com/java-method-handles