Java8 Lambda实现源码解析

原创王逸(卫乐) 阿里云开发者

前言

Java8的lambda应该大家都比较熟悉了，本文主要从源码层面探讨一下lambda的设计和实现。

基础示例与解析

先看下面的示例代码：

    static class A {        @Getter        private String a;
        @Getter        private Integer b;
        public A(String a, Integer b) {            this.a = a;            this.b = b;        }    }
    public static void main(String[] args) {        List<Integer> ret = Lists.newArrayList(new A("a", 1), new A("b", 2), new A("c", 3)).stream()            .map(A::getB)            .filter(b -> b >= 2)            .collect(Collectors.toList());        System.out.println(ret);    }

上面代码中，其实主要就是几步：

ArrayList.stream
.map
.filter
.collect

一步步来看，ArrayList.stream 实际调用的是Collector.stream方法：

    default Stream<E> stream() {        return StreamSupport.stream(spliterator(), false);    }

spliterator()方法生成的是 IteratorSpliterator 对象，spliterator的意思就是可以split的iterator，这个主要是用于lambda中的parallelStream中的并行操作，上面的例子中由于调用的是stream，所以parallel=false。

StreamSupport.stream最后生成的是一个ReferencePipeline.Head对象：

    public static <T> Stream<T> stream(Spliterator<T> spliterator, boolean parallel) {        Objects.requireNonNull(spliterator);        return new ReferencePipeline.Head<>(spliterator,                                            StreamOpFlag.fromCharacteristics(spliterator),                                            parallel);    }

Head类是从ReferencePipeline派生的，表示lambda的pipeline中的头节点。

有了这个Head对象之后，在它之上调用.map，实际上就是调用了基类ReferencePipeline.map方法：

    public final <R> Stream<R> map(Function<? super P_OUT, ? extends R> mapper) {        Objects.requireNonNull(mapper);        return new StatelessOp<P_OUT, R>(this, StreamShape.REFERENCE,                                     StreamOpFlag.NOT_SORTED | StreamOpFlag.NOT_DISTINCT) {            @Override            Sink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<R> sink) {                return new Sink.ChainedReference<P_OUT, R>(sink) {                    @Override                    public void accept(P_OUT u) {                        downstream.accept(mapper.apply(u));                    }                };            }        };    }

返回的是一个StatelessOp，表示一个无状态的算子，这个类也是ReferencePipeline的子类，可以看到它的构造函数，第一个参数this，表示把Head对象作为StatelessOp对象的upstream，也就是它的上游。StatelessOp.opWrapSink方法先不讲，后面会讲到。

接着调用StatelessOp.filter方法，也还是会回到ReferencePipeline.filter方法：


    public final Stream<P_OUT> filter(Predicate<? super P_OUT> predicate) {        Objects.requireNonNull(predicate);        return new StatelessOp<P_OUT, P_OUT>(this, StreamShape.REFERENCE,                                     StreamOpFlag.NOT_SIZED) {            @Override            Sink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<P_OUT> sink) {                return new Sink.ChainedReference<P_OUT, P_OUT>(sink) {                    @Override                    public void begin(long size) {                        downstream.begin(-1);                    }
                    @Override                    public void accept(P_OUT u) {                        if (predicate.test(u))                            downstream.accept(u);                    }                };            }        };    }

可以看到，仍然生成的是一个StatelessOp对象，只是它的upstream变了而已。

最后调用StatelessOp.collect，继续回到ReferencePipeline.collect方法：


    public final <R, A> R collect(Collector<? super P_OUT, A, R> collector) {        A container;        if (isParallel()                && (collector.characteristics().contains(Collector.Characteristics.CONCURRENT))                && (!isOrdered() || collector.characteristics().contains(Collector.Characteristics.UNORDERED))) {            container = collector.supplier().get();            BiConsumer<A, ? super P_OUT> accumulator = collector.accumulator();            forEach(u -> accumulator.accept(container, u));        }        else {            container = evaluate(ReduceOps.makeRef(collector));        }        return collector.characteristics().contains(Collector.Characteristics.IDENTITY_FINISH)               ? (R) container               : collector.finisher().apply(container);    }

在前面几步，.map, .filter方法其实都只是创建StatelessOp对象，但是到collect就不一样了，了解spark/flink的就知道，collect其实是个action/sink，调用了collect，就会真实地触发这个stream上各个operator的执行。这也就是我们经常听到的lazy execution，所有的操作，只有碰到action的算子才会开始执行。

之前讲到这个stream的parallel=false，所以上面的实际执行逻辑是：

A container = evaluate(ReduceOps.makeRef(collector));return collector.characteristics().contains(Collector.Characteristics.IDENTITY_FINISH)               ? (R) container               : collector.finisher().apply(container);    }

在进入evaluate方法之前，先看一下ReduceOps.makeRef(collector)，它实际上就是基于Collectors.toList生成的CollectorImpl实例包装了一层，返回了一个 TerminalOp对象（实际是ReduceOp）。


    public static <T, I> TerminalOp<T, I>    makeRef(Collector<? super T, I, ?> collector) {        Supplier<I> supplier = Objects.requireNonNull(collector).supplier();        BiConsumer<I, ? super T> accumulator = collector.accumulator();        BinaryOperator<I> combiner = collector.combiner();        class ReducingSink extends Box<I>                implements AccumulatingSink<T, I, ReducingSink> {            @Override            public void begin(long size) {                state = supplier.get();            }
            @Override            public void accept(T t) {                accumulator.accept(state, t);            }
            @Override            public void combine(ReducingSink other) {                state = combiner.apply(state, other.state);            }        }        return new ReduceOp<T, I, ReducingSink>(StreamShape.REFERENCE) {            @Override            public ReducingSink makeSink() {                return new ReducingSink();            }
            @Override            public int getOpFlags() {                return collector.characteristics().contains(Collector.Characteristics.UNORDERED)                       ? StreamOpFlag.NOT_ORDERED                       : 0;            }        };    }

上面代码可以看到，基本也就是直接调用了collector的实现，稍微需要注意的是，ReducingSink从Box派生，Box的意思就是盒子，它里面有个state成员，表示一个计算的状态。ReducingSink就是通过这个state，进行combine, accumulate操作（实际就是一个List)。

回到evaluate方法，它实际调用了：

terminalOp.evaluateSequential(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags()));

这里this就是最后阶段的ReferencePipeline，即StatelessOp，这里我们称它为 ReferencePipeline$2，即经过两个算子操作的pipeline。

sourceSpliterator 则会取到sourceStage的spliterator，即最上面Head的spliterator。

ReduceOp.evaluateSequential：

        public <P_IN> R evaluateSequential(PipelineHelper<T> helper,                                           Spliterator<P_IN> spliterator) {            return helper.wrapAndCopyInto(makeSink(), spliterator).get();        }

helper即ReferencePipeline$2，这里makeSink即上面返回的ReducingSink重载的方法。

ReferencePipeline.wrapAndCopyInto，在其父类AbstractPipeline中实现：


        copyInto(wrapSink(Objects.requireNonNull(sink)), spliterator);        return sink;

wrapSink代码：


    final <P_IN> Sink<P_IN> wrapSink(Sink<E_OUT> sink) {        Objects.requireNonNull(sink);
        for ( @SuppressWarnings("rawtypes") AbstractPipeline p=AbstractPipeline.this; p.depth > 0; p=p.previousStage) {            sink = p.opWrapSink(p.previousStage.combinedFlags, sink);        }        return (Sink<P_IN>) sink;    }

可以看到，这里就是将pipeline从后至前，分别调用每个pipeline的opWrapSink方法，就是一个责任链的模式。opWrapSink可以看上面map的opWrapSink的filter的opWrapSink实现，map的很简单，直接调用mapper.apply，实际上就是A::getB方法，filter的也很简单，调用的是 predicate.test 方法。

接下来到copyInto方法，到这里才会有真正的执行逻辑：


    final <P_IN> void copyInto(Sink<P_IN> wrappedSink, Spliterator<P_IN> spliterator) {        Objects.requireNonNull(wrappedSink);
        if (!StreamOpFlag.SHORT_CIRCUIT.isKnown(getStreamAndOpFlags())) {            wrappedSink.begin(spliterator.getExactSizeIfKnown());            spliterator.forEachRemaining(wrappedSink);            wrappedSink.end();        }        else {            copyIntoWithCancel(wrappedSink, spliterator);        }    }

它会走入到这部分的逻辑中：

wrappedSink.begin(spliterator.getExactSizeIfKnown());spliterator.forEachRemaining(wrappedSink);wrappedSink.end();

这里面最重要的是就是中间这行了，由于spliterator持有的Collection引用，是ArrayList，因此它会调用ArrayList.forEachRemaining方法：


public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {    // ...    if ((i = index) >= 0 && (index = hi) <= a.length) {       for (; i < hi; ++i) {           @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) a[i];           action.accept(e);       }       if (lst.modCount == mc)           return;   }    // ...

这里的action参数，就是上面经过责任链封装的Sink（它也是Consumer的子类）。
而这里调用action.accept，就会通过责任链来一层层调用每个算子的accept，我们从map的accept开始：

@OverrideSink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<R> sink) {    return new Sink.ChainedReference<P_OUT, R>(sink) {        @Override        public void accept(P_OUT u) {            downstream.accept(mapper.apply(u));        }    };}

可以看到，它先调用mapper.apply，然后把结果直接传给downstream.accept，也就是调用filter的accept，接着来到ReducingSink.accept，也就是往state中添加一个结果元素，这样forEach执行完之后，结果自然就有了。

看完上面的流程，接下来看一下lambda里面部分类设计，首先来看一下Stream，它的基类是BaseStream，提供以下接口：


public interface BaseStream<T, S extends BaseStream<T, S>>        extends AutoCloseable {    /**     * 返回stream中元素的迭代器        */    Iterator<T> iterator();
    /**     * 返回stream中元素的spliterator，用于并行执行     */    Spliterator<T> spliterator();
    /**     * 是否并行     */    boolean isParallel();
    /**     * 返回串行的stream，即强制parallel=false     */    S sequential();
    /**     * 返回并行的stream，即强制parallel=true     */    S parallel();
    // ...}

直接继承此接口的，是如IntStream, LongStream，DoubleStream等，这些是在BaseStream基础上，提供了filter, map, mapToObj, distinct等算子的接口，但是这些算子，是限定类型的，如IntStream.filter, 它接受的就是 IntPredicate，而不是常规的Predicate；map方法也是，接受的是 IntUnaryOperator。

IntStream, LongStream这些都是接口，也就是仅仅用来描述算子的。它们的实现都是基于Pipeline的，基类为 AbstractPipeline，它的几个关键成员变量：

     /**      * 最顶上的pipeline，即Head      */    private final AbstractPipeline sourceStage;
    /**     * 直接上游pipeline     */    private final AbstractPipeline previousStage;
    /**     * 直接下游pipeline     */    @SuppressWarnings("rawtypes")    private AbstractPipeline nextStage;
    /**     * pipeline深度     */    private int depth;        /**     * head的spliterator     */    private Spliterator<?> sourceSpliterator;
     // ...

这个基类还提供了pipeline的基础实现，以及对BaseStream和PipelineHelper接口的实现，如evaluate, sourceStageSpliterator, wrapAndCopyInto, wrapSink等。

类似地，从AbstractPipeline派生的子类有：IntPipeline, LongPipeline, DoublePipeline, ReferencePipeline等。前面三种比较容易理解，提供的是基于原始类型的lambda操作（且都实现了对应的XXStream接口），而ReferencePipeline提供的是基于对象的lambda操作。

类层次如下：

注意这些子类，也都是abstract的，每一种pipeline下面，都有Head, StatelessOp, StatefulOp三个子类。分别用于描述pipeline的头节点，无状态中间算子，有状态中间算子。

Head是非抽象类，StatelessOp也是抽象类，它在map、filter、mapToObj等算子中，会动态创建它的匿名子类，并实现opWrapSink方法。

通过这种设计，除了collect之外，所有算子的返回结果都是Stream的子类，在IntPipeline中，map, flatMap, filter等都返回IntStream，即使它们的实现可能是StatelessOp, Head等，都对外提供了统一的接口。同时由于lambda中每个算子的实现是动态的，如最上面例子中A::getB, b -> b>=2等，那就通过每个算子重载 opWrapSink 方法来动态封装这些逻辑。

同时，通过将XXStream和XXPipeline分开的设计，可以保持Stream接口的简洁（对用户透出的接口）。否则如果将BaseStream做成抽象类，将AbstractPipeline相关的逻辑移到这里面，会导致Stream变得非常臃肿，在API层面用户使用的时候也会很困惑。

创建Pipeline的地方，则统一收口到了StreamSupport类中，这是一个大的工厂类。虽然ArrayList, Arrays等类中都提供了stream的方法，但是最后都统一调用了StreamSupport里来创建Pipeline的实例，通常也就是创建 XXPipeline.Head对象，然后通过这个对象进行其他lambda算子的添加。

双流concat的场景示例及解析

接下来看一个相对比较复杂的例子，双流concat的场景，代码如下：


    static class Mapper1 implements IntUnaryOperator {
        @Override        public int applyAsInt(int operand) {            return operand * operand;        }    }        static class Filter1 implements IntPredicate {
        @Override        public boolean test(int value) {            return value >= 2;        }    }
    static class Mapper2 implements IntUnaryOperator {
        @Override        public int applyAsInt(int operand) {            return operand + operand;        }    }
    static class Filter2 implements IntPredicate {
        @Override        public boolean test(int value) {            return value >= 10;        }    }        static class Mapper3 implements IntUnaryOperator {
        @Override        public int applyAsInt(int operand) {            return operand * operand;        }    }
    static class Filter3 implements IntPredicate {
        @Override        public boolean test(int value) {            return value >= 10;        }    }
    public static void main(String[] args) {        IntStream s1 = Arrays.stream(new int[] {1, 2, 3})            .map(new Mapper1())            .filter(new Filter1());
        IntStream s2 = Arrays.stream(new int[] {4, 5, 6})            .map(new Mapper2())            .filter(new Filter2());
        IntStream s3 = IntStream.concat(s1, s2)            .map(new Mapper3())            .filter(new Filter3());        int sum = s3.sum();    }

上面代码中，先分别创建两个IntStream：s1, s2。然后进行concat操作，生成s2，最后调用sum操作做reduce。

代码分析还是从sink开始，reduce跟前面的collect类似，实际会基于s3这个stream, 在AbstractPipeline.evaluate方法中执行：

terminalOp.evaluateSequential(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags()));

这里terminalOp即为sum这个ReduceOp，sourceSpliterator为Streams.ConcatSpliterator，也即调用s3这个pipeline的wrapAndCopyInto方法：

    final <P_IN, S extends Sink<E_OUT>> S wrapAndCopyInto(S sink, Spliterator<P_IN> spliterator) {        copyInto(wrapSink(Objects.requireNonNull(sink)), spliterator);        return sink;    }

这里的wrapSink，就会将s3中的算子与最后的reduce串在一起，大致如下：
Head(concated s1 + s2 stream) -> Mapper3 -> Filter3 -> ReduceOp(sum)

到目前为止，我们还只看到s3的逻辑，那么s1和s2两个stream的mapper和filter逻辑在哪里呢，接着看下面的copyInto方法：

    final <P_IN> void copyInto(Sink<P_IN> wrappedSink, Spliterator<P_IN> spliterator) {        Objects.requireNonNull(wrappedSink);
        if (!StreamOpFlag.SHORT_CIRCUIT.isKnown(getStreamAndOpFlags())) {            wrappedSink.begin(spliterator.getExactSizeIfKnown());            spliterator.forEachRemaining(wrappedSink);            wrappedSink.end();            // ...

上面讲到，这里的spliterator是Streams.ConcatSpliterator对象，看下Streams.ConcatSpliterator.forEachRemaining实现：

        public void forEachRemaining(Consumer<? super T> consumer) {            if (beforeSplit)                aSpliterator.forEachRemaining(consumer);            bSpliterator.forEachRemaining(consumer);        }

这里就区分出了两个不同的流，对每个流的spliterator分别调用forEachRemaining方法，这里的spliterator是IntWrappingSpliterator, 它是对s1/s2的一个封装，它有两个关键成员：


            // 包装的原始pipeline        final PipelineHelper<P_OUT> ph;
        // 原始pipeline的spliterator        Spliterator<P_IN> spliterator;

所以就走到了

IntWrappingSpliterator.foreachMaining方法中：

        public void forEachRemaining(IntConsumer consumer) {            if (buffer == null && !finished) {                Objects.requireNonNull(consumer);                init();
                ph.wrapAndCopyInto((Sink.OfInt) consumer::accept, spliterator);                finished = true;            }            // ...

可以看到，又调用了原始pipeline的wrapAndCopyInto方法中，而这里的consumer即为上面s3的逻辑。这样又递归回到了：

AbstractPipeline.wrapAndCopyInto -> AbstractPipeline.wrapSink-> AbstractPipeline.copyInto

方法中，而在这时的wrapSink中，现在的pipeline就是s1/s2了，这时就会对s1/s2下面的所有算子，调用AbstractPipeline.opWrapSink串联起来，以s1为例就变成：

Head(array[1,2,3]) -> Mapper1 -> Filter1 -> Mapper3 -> Filter3 -> ReduceOp(sum)

这样s1流跟s3流就串起来执行完成了，然后就是s2和s3流串起来执行。

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