Java 8 Lambda 表達式：模擬 Mixin 實現類的多重繼承

Java 8 開始出現，帶來一個全新特性：使用 Lambda 表達式 (JSR-335) 進行函數式編程。今天我們要討論的是 Lambda 的其中一部分：虛擬擴展方法，也叫做公共辯護(defender)方法。該特性可以讓你在接口定義中提供方法的默認實現。例如你可以為已有的接口（如 List 和 Map）聲明一個方法定義，這樣其他開發者就無需重新實現這些方法，有點像抽象類，但實際卻是接口。當然，Java 8 理論上還是兼容已有的庫。

虛擬擴展方法為 Java 帶來了多重繼承的特性，盡管該團隊聲稱與多重繼承不同，虛擬擴展方法被限制用於行為繼承。或許通過這個特性你可以看到了多重繼承的影子。但你還是可以模擬實例狀態的繼承。我將在接下來的文章詳細描述 Java 8 中通過 mixin 混入實現狀態的繼承。

什麼是混入 mixin?

混入是一種組合的抽象類，主要用於多繼承上下文中為一個類添加多個服務，多重繼承將多個 mixin 組合成你的類。例如，如果你有一個類表示“馬”，你可以實例化這個類來創建一個“馬”的實例，然後通過繼承像“車庫”和“花園”來擴展它，使用 Scala 的寫法就是：

  1 val myHouse = new House with Garage with Garden

從 mixin 繼承並不是一個特定的規范，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，在這裡，mixin 幫助 4 個基於不同 Socket 的 服務，包括支持多進程的 UDP 和 TCP 服務以及支持多線程的 UDP 和 TCP 服務。

  1 class ForkingUDPServer(ForkingMixIn, UDPServer): pass 2 class ForkingTCPServer(ForkingMixIn, TCPServer): pass 3    4 class ThreadingUDPServer(ThreadingMixIn, UDPServer): pass 5 class ThreadingTCPServer(ThreadingMixIn, TCPServer): pass

什麼是虛擬擴展方法?

Java 8 將引入虛擬擴展方法的概念，也叫 public defender method. 讓我們姑且把這個概念簡化為 VEM。

VEM 旨在為 Java 接口提供默認的方法定義，你可以用它在已有的接口中添加新的方法定義，例如 Java 裡的集合 API。這樣類似 Hibernate 這樣的第三方庫無需重復實現這些集合 API 的所有方法，因為已經提供了一些默認方法。

下面是如何在接口中定義方法的示例：

  1 public interface Collection<T> extends Iterable<T> { 2    3     <R> Collection<R> filter(Predicate<T> p) 4         default { return Collections.<T>filter(this, p); } 5    6 }

Java 8 對混入的模擬

現在我們來通過 VEM 實現一個混入效果，不過事先警告的是：請不要在工作中使用！

下面的實現不是線程安全的，而且還可能存在內存洩露問題，這取決於你在類中定義的 hashCode 和 equals 方法，這也是另外一個缺點，我將在後面討論這個問題。

首先我們定義一個接口（模擬狀態Bean）並提供方法的默認定義：

  1 public interface SwitchableMixin { 2     boolean isActivated() default { return Switchables.isActivated(this); } 3     void setActivated(boolean activated) default { Switchables.setActivated(this, activated); } 4 }

然後我們定義一個工具類，包含一個 Map 實例來保存實例和狀態的關聯，狀態通過工具類中的私有的嵌套類代表：

  01 public final class Switchables { 02    03     private static final Map<SwitchableMixin, SwitchableDeviceState> SWITCH_STATES = new HashMap<>(); 04    05     public static boolean isActivated(SwitchableMixin device) { 06         SwitchableDeviceState state = SWITCH_STATES.get(device); 07         return state != null && state.activated; 08     } 09    10     public static void setActivated(SwitchableMixin device, boolean activated) { 11         SwitchableDeviceState state = SWITCH_STATES.get(device); 12         if (state == null) { 13             state = new SwitchableDeviceState(); 14             SWITCH_STATES.put(device, state); 15         } 16         state.activated = activated; 17     } 18    19     private static class SwitchableDeviceState { 20         private boolean activated; 21     } 22    23 }

這裡是一個使用用例，突出了狀態的繼承：

  1 private static class Device {} 2    3 private static class DeviceA extends Device implements SwitchableMixin {} 4    5 private static class DeviceB extends Device implements SwitchableMixin {}   1 DeviceA a = new DeviceA(); 2 DeviceB b = new DeviceB(); 3    4 a.setActivated(true); 5    6 assertThat(a.isActivated()).isTrue(); 7 assertThat(b.isActivated()).isFalse();

“完全不同的東西”

上面的實現跑起來似乎挺正常的，但 Oracle 的 Java 語言架構師 Brian Goetz 向我提出一個疑問說當前實現是無法工作的（假設線程安全和內存洩露問題已解決）

  01 interface FakeBrokenMixin { 02     static Map<FakeBrokenMixin, String> backingMap 03         = Collections.synchronizedMap(new WeakHashMap<FakeBrokenMixin, String>()); 04    05     String getName() default { return backingMap.get(this); } 06     void setName(String name) default { backingMap.put(this, name); } 07 } 08    09 interface X extends Runnable, FakeBrokenMixin {} 10    11 X makeX() { return () -> { System.out.println("X"); }; } 12    13     X x1 = makeX(); 14     X x2 = makeX(); 15     x1.setName("x1"); 16     x2.setName("x2"); 17    18     System.out.println(x1.getName()); 19     System.out.println(x2.getName());

你猜這段代碼執行後會顯示什麼結果呢？

疑問的解決

第一眼看去，這個實現的代碼沒有問題。X 是一個只包含一個方法的接口，因為 getName 和 setName 已經有了默認的定義，但 Runable 接口的 run 方法沒有定義，因此我們可通過 lambda 表達式來生成 X 的實例，然後提供 run 方法的實現，就像 makeX 那樣。因此，你希望這個程序執行後顯示的結果是：

  1 x1 2 x2

如果你刪掉 getName 方法的調用，那麼執行結果變成：

  1 MyTest$1@30ae8764 2 MyTest$1@123acf34

這兩行顯示出 makeX 方法的執行來自兩個不同的實例，而這時當前 OpenJDK 8 生成的（這裡我使用的是 OpenJDK 8 24.0-b07）.

不管怎樣，當前的 OpenJDK 8 並不能反映最終的 Java 8 的行為，為了解決這個問題，你需要使用特殊參數 -XDlambdaToMethod 來運行 javac 命令，在使用了這個參數後，運行結果變成：

  1 x2 2 x2

如果不調用 getName 方法，則顯示：

  1 MyTest$$Lambda$1@5506d4ea 2 MyTest$$Lambda$1@5506d4ea

每個調用 makeX 方法似乎都是來自相同匿名內部類的一個單例實例，如果觀察包含編譯後的 java class 文件的目錄，會發現並沒有一個名為 MyTestClass$$Lambda$1.class 的文件。

因為在編譯時，lambda 表達式並沒有經過完整的翻譯，事實上這個翻譯過程是在編譯和運行時完成的，javac 編譯器將 lambda 表達式變成 JVM 新增的指令 invokedynamic (JSR292)。這個指令包含所有必須的關於在運行時執行 lambda 表達式的元信息。包括要調用的方法名、輸入輸出類型以及一個名為 bootstrap 的方法。bootstrap 方法用於定義接收此方法調用的實例，一旦 JVM 執行了 invokedynamic 指令，JVM 就會在特定的 bootstrap 上調用 lambda 元工廠方法 (lambda metafactory method)。 

再回到剛才那個疑問中，lambda 表達式轉成了一個私有的靜態方法，() -> { System.out.println("X"); } 被轉到了 MyTest：

  1 private static void lambda$0() { 2     System.out.println("X"); 3 }

如果你用 javap 反編譯器並使用 -private 參數就可以看到這個方法，你也可以使用 -c 參數來查看更加完整的轉換。

當你運行程序時，JVM 會調用 lambda metafactory method 來嘗試闡釋 invokedynamic 指令。在我們的例子中，首次調用 makeX 時，lambda metafactory method 生成一個 X 的實例並動態鏈接 run 方法到 lambda$0 方法. X 的實例接下來被存儲在內存中，當第二次調用 makeX 時就直接從內存中讀取這個實例，因此你第二次調用的實例跟第一次是一樣的。

修復了嗎？有解決辦法嗎？

目前尚無這個問題直接的修復或者是解決辦法。盡管 Oracle 的 Java 8 計劃默認激活 -XDlambdaToMethod 參數，因為這個參數並不是 JVM 規范的一部分，因此不同供應商和 JVM 的實現是不同的。對一個 lambda 表達式而言，你唯一能期望的就是在類中實現你的接口方法。

其他的方法

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

所以來看看我們的 Switchable.

  1 interface Switchable {    boolean isActive(); 2     void setActive(boolean active); 3 }

我們需要一個基於 Switchable 的接口，並提供一個附加的抽象方法返回 Switchable 的實現。集成的方法包含默認的定義，它們使用 getter 來轉換到 Switchable 實現的調用：

  1 public interface SwitchableView extends Switchable { 2     Switchable getSwitchable(); 3    4    5     boolean isActive() default { return getSwitchable().isActive(); } 6     void setActive(boolean active) default { getSwitchable().setActive(active); } 7 }

接下來，我們創建一個完整的 Switchable 實現：

  01 public class SwitchableImpl implements Switchable { 02    03    04     private boolean active; 05    06    07     @Override 08     public boolean isActive() { 09         return active; 10     } 11    12    13     @Override 14     public void setActive(boolean active) { 15         this.active = active; 16     } 17 }

這裡是我們使用虛擬字段模式的例子：

  01 public class Device {} 02    03    04 public class DeviceA extends Device implements SwitchableView { 05     private Switchable switchable = new SwitchableImpl(); 06    07    08     @Override 09     public Switchable getSwitchable() { 10         return switchable; 11     } 12 } 13    14    15 public class DeviceB extends Device implements SwitchableView { 16     private Switchable switchable = new SwitchableImpl(); 17    18    19     @Override 20     public Switchable getSwitchable() { 21         return switchable; 22     } 23 }   1 DeviceA a = new DeviceA();DeviceB b = new DeviceB(); 2    3 a.setActive(true); 4    5 assertThat(a.isActive()).isTrue(); 6 assertThat(b.isActive()).isFalse();

結論

在這篇文章中，我們使用了兩種方法通過 Java 8 的虛擬擴展方法為類增加多個服務。第一個方法使用一個 Map 來存儲實例狀態，這個方法很危險，因為不是線程安全而且存在內存洩露問題，這完全依賴於不同的 JVM 對 Java 語言的實現。另外一個方法是使用虛擬字段模式，通過一個抽象的 getter 來返回最終的實現實例。第二種方法更加獨立而且更加安全。

虛擬擴展方法是 Java 的新特性，本文主要介紹的是多重繼承的實現，詳細你會有更深入的研究以及應用於其他方面，別忘了跟大家分享。

英文原文, OSCHINA原創翻譯