死磕Java内部类（一篇就够）

Java内部类，相信大家都用过，但是多数同学可能对它了解的并不深入，只是靠记忆来完成日常工作，却不能融会贯通，遇到奇葩问题更是难以有思路去解决。这篇文章带大家一起死磕Java内部类的方方面面。
友情提示：这篇文章的讨论基于JDK版本 1.8.0_191

开篇问题

我一直觉得技术是工具，是一定要落地的，要切实解决某些问题的，所以我们通过先抛出问题，然后解决这些问题，在这个过程中来加深理解，最容易有收获。
so，先抛出几个问题。（如果这些问题你早已思考过，答案也了然于胸，那恭喜你，这篇文章可以关掉了）。

为什么需要内部类？
为什么内部类（包括匿名内部类、局部内部类），会持有外部类的引用？
为什么匿名内部类使用到外部类方法中的局部变量时需要是final类型的？
如何创建内部类实例，如何继承内部类？
Lambda表达式是如何实现的？

为什么需要内部类?

要回答这个问题，先要弄明白什么是内部类？我们知道Java有三种类型的内部类

普通的内部类

public class Demo {

    // 普通内部类
    public class DemoRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
        }
    }
}

匿名内部类

public class Demo {

    // 匿名内部类
    private Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {

        }
    };
}

方法内局部内部类

public class Demo {

    // 局部内部类
    public void work() {
        class InnerRunnable implements Runnable {
            @Override
            public void run() {

            }
        }
        InnerRunnable runnable = new InnerRunnable();
    }

}

这三种形式的内部类，大家肯定都用过，但是技术在设计之初肯定也是要用来解决某个问题或者某个痛点，那可以想想内部类相对比外部定义类有什么优势呢？
我们通过一个小例子来做说明

public class Worker {
    private List<Job> mJobList = new ArrayList<>();

    public void addJob(Runnable task) {
        mJobList.add(new Job(task));
    }

    private class Job implements Runnable {
        Runnable task;
        public  Job(Runnable task) {
            this.task = task;
        }

        @Override
        public void run() {
            runnable.run();
            System.out.println("left job size : " + mJobList.size());
        }
    }
}

定义了一个Worker类，暴露了一个addJob方法，一个参数task，类型是Runnable，然后定义了一个内部类Job类对task进行了一层封装，这里Job是私有的，所以外界是感知不到Job的存在的，所以有了内部类第一个优势。

内部类能够更好的封装，内聚，屏蔽细节

我们在Job的run方法中，打印了外部Worker的mJobList列表中剩余Job数量，代码这样写没问题，但是细想，内部类是如何拿到外部类的成员变量的呢？这里先卖个关子，但是已经可以先得出内部类的第二个优势了。

内部类天然有访问外部类成员变量的能力

内部类主要就是上面的二个优势。当然还有一些其他的小优点，比如可以用来实现多重继承，可以将逻辑内聚在一个类方便维护等，这些见仁见智，先不去说它们。

我们接着看第二个问题！！！

为什么内部类（包括匿名内部类、局部内部类），会持有外部类的引用？

问这个问题，显得我是个杠精，您先别着急，其实我想问的是，内部类Java是怎么实现的。
我们还是举例说明，先以普通的内部类为例

普通内部类的实现

public class Demo {
    // 普通内部类
    public class DemoRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
        }
    }
}

切到Demo.java所在文件夹，命令行执行 javac Demo.java，在Demo类同目录下可以看到生成了二个class文件

普通内部类生成class.png

Demo.class很好理解，另一个类

Demo$DemoRunnable.class

就是我们的内部类编译出来的，它的命名也是有规律的，外部类名Demo+$+内部类名DemoRunnable。
查看反编译后的代码（IntelliJ IDEA本身就支持，直接查看class文件即可）

package inner;

public class Demo$DemoRunnable implements Runnable {
    public Demo$DemoRunnable(Demo var1) {
        this.this$0 = var1;
    }

    public void run() {
    }
}

生成的类只有一个构造器，参数就是Demo类型，而且保存到内部类本身的this$0字段中。到这里我们其实已经可以想到，内部类持有的外部类引用就是通过这个构造器传递进来的，它是一个强引用。

验证我们的想法

怎么验证呢？我们需要在Demo.class类中加一个方法，来实例化这个DemoRunnable内部类对象

   // Demo.java
    public void run() {
        DemoRunnable demoRunnable = new DemoRunnable();
        demoRunnable.run();
    }

再次执行 javac Demo.java，再执行javap -verbose Demo.class，查看Demo类的字节码，前方高能，需要一些字节码知识，这里我们重点关注run方法（插一句题外话，字节码简单的要能看懂，-。-）

  public void run();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=2, args_size=1
         0: new           #2                  // class inner/Demo$DemoRunnable
         3: dup
         4: aload_0
         5: invokespecial #3                  // Method inner/Demo$DemoRunnable."<init>":(Linner/Demo;)V
         8: astore_1
         9: aload_1
        10: invokevirtual #4                  // Method inner/Demo$DemoRunnable.run:()V
        13: return

先通过new指令，新建了一个Demo$DemoRunnable对象
aload_0指令将外部类Demo对象自身加载到栈帧中
调用Demo$DemoRunnable类的init方法，注意这里将Demo对象作为了参数传递进来了

到这一步其实已经很清楚了，就是将外部类对象自身作为参数传递给了内部类构造器，与我们上面的猜想一致。

匿名内部类的实现

public class Demo {
    // 匿名内部类
    private Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {

        }
    };
}

同样执行javac Demo.java，这次多生成了一个Demo$1.class，反编译查看代码

package inner;

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1) {
        this.this$0 = var1;
    }

    public void run() {
    }
}

可以看到匿名内部类和普通内部类实现基本一致，只是编译器自动给它拼了个名字，所以匿名内部类不能自定义构造器，因为名字编译完成后才能确定。
方法局部内部类，我这里就不赘述了，原理都是一样的，大家可以自行试验。
这样我们算是解答了第二个问题，来看第三个问题。

为什么匿名内部类使用到外部类方法中的局部变量时需要是final类型的？

这里先申明一下，这个问题本身是有问题的，问题在哪呢？因为java8中并不一定需要声明为final。我们来看个例子

   // Demo.java
    public void run() {
        int age = 10;
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
            }
        };
    }

匿名内部类对象runnable，使用了外部类方法中的age局部变量。编译运行完全没问题，而age并没有final修饰啊！
那我们再在run方法中，尝试修改age试试

    public void run() {
        int age = 10;
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
                age = 20;   // error
            }
        };
    }

编译器报错了，提示信息是”age is access from inner class, need to be final or effectively final“。很显然编译器很智能，由于我们第一个例子并没有修改age的值，所以编译器认为这是effectively final，是安全的，可以编译通过，而第二个例子尝试修改age的值，编译器立马就报错了。

外部类变量是怎么传递给内部类的？

这里对于变量的类型分三种情况分别来说明

非final局部变量

我们去掉尝试修改age的代码，然后执行javac Demo.java，查看Demo$1.class的实现代码

package inner;

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1, int var2) {
        this.this$0 = var1;
        this.val$age = var2;
    }

    public void run() {
        int var1 = this.val$age + 1;
        System.out.println(var1);
    }
}

可以看到对于非final局部变量，是通过构造器的方式传递进来的。

final局部变量

age修改为final

    public void run() {
        final int age = 10;
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
            }
        };
    }

同样执行javac Demo.java，查看Demo$1.class的实现代码

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1) {
        this.this$0 = var1;
    }

    public void run() {
        byte var1 = 11;
        System.out.println(var1);
    }
}

可以看到编译器很聪明的做了优化，age是final的，所以在编译期间是确定的，直接将+1优化为11。
为了测试编译器的智商，我们把age的赋值修改一下，改为运行时才能确定的，看编译器如何应对

    public void run() {
        final int age = (int) System.currentTimeMillis();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
            }
        };
    }

再看Demo$1 字节码实现

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1, int var2) {
        this.this$0 = var1;
        this.val$age = var2;
    }

    public void run() {
        int var1 = this.val$age + 1;
        System.out.println(var1);
    }
}

编译器意识到编译期age的值不能确定，所以还是采用构造器传参的形式实现。现代编译器还是很机智的。

外部类成员变量

将age改为Demo的成员变量，注意没有加任何修饰符，是包级访问级别。

public class Demo {
    int age = 10;
    public void run() {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int myAge = age + 1;
                System.out.println(myAge);
                age = 20;
            }
        };
    }
}

javac Demo.java，查看匿名内部内的实现

class Demo$1 implements Runnable {
    Demo$1(Demo var1) {
        this.this$0 = var1;
    }

    public void run() {
        int var1 = this.this$0.age + 1;
        System.out.println(var1);
        this.this$0.age = 20;
    }
}

这一次编译器直接通过外部类的引用操作age，没毛病，由于age是包访问级别，所以这样是最高效的。
如果将age改为private，编译器会在Demo类中生成二个方法，分别用于读取age和设置age，篇幅关系，这种情况留给大家自行测试。

解答为何局部变量传递给匿名内部类需要是final?

通过上面的例子可以看到，不是一定需要局部变量是final的，但是你不能在匿名内部类中修改外部局部变量，因为Java对于匿名内部类传递变量的实现是基于构造器传参的，也就是说如果允许你在匿名内部类中修改值，你修改的是匿名内部类中的外部局部变量副本，最终并不会对外部类产生效果，因为已经是二个变量了。
这样就会让程序员产生困扰，原以为修改会生效，事实上却并不会，所以Java就禁止在匿名内部类中修改外部局部变量。

如何创建内部类实例，如何继承内部类？

由于内部类对象需要持有外部类对象的引用，所以必须得先有外部类对象

Demo.DemoRunnable demoRunnable = new Demo().new DemoRunnable();

那如何继承一个内部类呢，先给出示例

    public class Demo2 extends Demo.DemoRunnable {
        public Demo2(Demo demo) {
            demo.super();
        }

        @Override
        public void run() {
            super.run();
        }
    }

必须在构造器中传入一个Demo对象，并且还需要调用demo.super();
看个例子

public class DemoKata {
    public static void main(String[] args) {
        Demo2 demo2 = new DemoKata().new Demo2(new Demo());
    }

    public class Demo2 extends Demo.DemoRunnable {
        public Demo2(Demo demo) {
            demo.super();
        }

        @Override
        public void run() {
            super.run();
        }
    }
}

由于Demo2也是一个内部类，所以需要先new一个DemoKata对象。
这一个问题描述的场景可能用的并不多，一般也不这么去用，这里提一下，大家知道有这么回事就行。

Lambda表达式是如何实现的？

Java8引入了Lambda表达式，一定程度上可以简化我们的代码，使代码结构看起来更优雅。做技术的还是要有刨根问底的那股劲，问问自己有没有想过Java中Lambda到底是如何实现的呢？

来看一个最简单的例子

public class Animal {
    public void run(Runnable runnable) {
    }
}

Animal类中定义了一个run方法，参数是一个Runnable对象，Java8以前，我们可以传入一个匿名内部类对象

run(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
            }
});

Java 8 之后编译器已经很智能的提示我们可以用Lambda表达式来替换。既然可以替换，那匿名内部类和Lambda表达式是不是底层实现是一样的呢，或者说Lambda表达式只是匿名内部类的语法糖呢？
要解答这个问题，我们还是要去字节码中找线索。通过前面的知识，我们知道javac Animal.java命令将类编译成class，匿名内部类的方式会产生一个额外的类。那用Lambda表达式会不会也会编译新类呢？我们试一下便知。

    public void run(Runnable runnable) {
    }

    public void test() {
        run(() -> {});
    }

javac Animal.java，发现并没有生成额外的类！！！
我们继续使用javap -verbose Animal.class来查看Animal.class的字节码实现，重点关注test方法

  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokedynamic #2,  0              // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
         6: invokevirtual #3                  // Method run:(Ljava/lang/Runnable;)V
         9: return

SourceFile: "Demo.java"
InnerClasses:
     public static final #34= #33 of #37; //Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles
BootstrapMethods:
  0: #18 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #19 ()V
      #20 invokestatic com/company/inner/Demo.lambda$test$0:()V
      #19 ()V

发现test方法字节码中多了一个invokedynamic #2 0指令，这是java7引入的新指令，其中#2 指向

#2 = InvokeDynamic      #0:#21         // #0:run:()Ljava/lang/Runnable;

而0代表BootstrapMethods方法表中的第一个，java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory方法被调用。

BootstrapMethods:
  0: #18 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #19 ()V
      #20 invokestatic com/company/inner/Demo.lambda$test$0:()V
      #19 ()V

这里面我们看到了com/company/inner/Demo.lambda $test$ 0这么个东西，看起来跟我们的匿名内部类的名称有些类似，而且中间还有lambda，有可能就是我们要找的生成的类。
我们不妨验证下我们的想法，可以通过下面的代码打印出Lambda对象的真实类名。

    public void run(Runnable runnable) {
        System.out.println(runnable.getClass().getCanonicalName());
    }

    public void test() {
        run(() -> {});
    }

打印出runnable的类名，结果如下

com.company.inner.Demo$$Lambda$1/764977973

跟我们上面的猜测并不完全一致，我们继续找别的线索，既然我们有看到LambdaMetafactory.metafactory这个类被调用，不妨继续跟进看下它的实现

    public static CallSite metafactory(MethodHandles.Lookup caller,
                                       String invokedName,
                                       MethodType invokedType,
                                       MethodType samMethodType,
                                       MethodHandle implMethod,
                                       MethodType instantiatedMethodType)
            throws LambdaConversionException {
        AbstractValidatingLambdaMetafactory mf;
        mf = new InnerClassLambdaMetafactory(caller, invokedType,
                                             invokedName, samMethodType,
                                             implMethod, instantiatedMethodType,
                                             false, EMPTY_CLASS_ARRAY, EMPTY_MT_ARRAY);
        mf.validateMetafactoryArgs();
        return mf.buildCallSite();
    }

内部new了一个InnerClassLambdaMetafactory对象。看名字很可疑，继续跟进

public InnerClassLambdaMetafactory(...)
            throws LambdaConversionException {
        //....
        lambdaClassName = targetClass.getName().replace('.', '/') + "$$Lambda$" + counter.incrementAndGet();
        cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
       //....
    }

省略了很多代码，我们重点看lambdaClassName这个字符串（通过名字就知道是干啥的），可以看到它的拼接结果跟我们上面打印的Lambda类名基本一致。而下面的ClassWriter也暴露了，其实Lambda运用的是Asm字节码技术，在运行时生成类文件。我感觉到这里就差不多了，再往下可能就有点太过细节了。-。-

Lambda实现总结

所以Lambda表达式并不是匿名内部类的语法糖，它是基于invokedynamic指令，在运行时使用ASM生成类文件来实现的。

写在最后

这可能是我迄今写的最长的一篇技术文章了，写的过程中也在不断的加深自己对知识点的理解，颠覆了很多以往的错误认知。写技术文章这条路我会一直坚持下去。
非常喜欢得到里面的一句slogan，胡适先生说的话。
怕什么真理无穷，进一寸有一寸的欢喜
共勉!

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