快速上手 Record 类

我们先举一个简单例子，声明一个用户 Record。

public record User(long id, String name, int age) {}

这样编写代码之后，Record 类默认包含的元素和方法实现包括：

record 头指定的组成元素（int id, String name, int age），并且，这些元素都是 final 的。
record 默认只有一个构造器，是包含所有元素的构造器。
record 的每个元素都有一个对应的 getter（但这种 getter 并不是 getxxx()，而是直接用变量名命名，所以使用序列化框架，DAO 框架都要注意这一点）
实现好的 hashCode()，equals()，toString() 方法（通过自动在编译阶段生成关于 hashCode()，equals()，toString() 方法实现的字节码实现）。

我们来使用下这个 Record ：

User zhx = new User(1, "zhx", 29);
User ttj = new User(2, "ttj", 25);
System.out.println(zhx.id());//1
System.out.println(zhx.name());//zhx
System.out.println(zhx.age());//29
System.out.println(zhx.equals(ttj));//false
System.out.println(zhx.toString());//User[id=1, name=zhx, age=29]
System.out.println(zhx.hashCode());//3739156

Record 的结构是如何实现的

编译后插入相关域与方法的字节码

查看上面举得例子的字节码，有两种方式，一是通过 javap -v User.class 命令查看文字版的字节码，截取重要的字节码如下所示：

//省略文件头，文件常量池部分
{//public 构造器，全部属性作为参数，并给每个 Field 赋值public com.github.hashzhang.basetest.User(long, java.lang.String, int);descriptor: (JLjava/lang/String;I)Vflags: (0x0001) ACC_PUBLICCode:stack=3, locals=5, args_size=40: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Record."<init>":()V4: aload_05: lload_16: putfield      #7                  // Field id:J9: aload_010: aload_311: putfield      #13                 // Field name:Ljava/lang/String;14: aload_015: iload         417: putfield      #17                 // Field age:I20: returnLineNumberTable:line 3: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0      21     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;0      21     1    id   J0      21     3  name   Ljava/lang/String;0      21     4   age   IMethodParameters:Name                           Flagsidnameage//public final 修饰的 toString 方法public final java.lang.String toString();descriptor: ()Ljava/lang/String;flags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINALCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_0//核心实现是这个 invokedynamic，我们后面会分析1: invokedynamic #21,  0             // InvokeDynamic #0:toString:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;)Ljava/lang/String;6: areturnLineNumberTable:line 3: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       7     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;//public final 修饰的 hashCode 方法public final int hashCode();descriptor: ()Iflags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINALCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_0//核心实现是这个 invokedynamic，我们后面会分析1: invokedynamic #25,  0             // InvokeDynamic #0:hashCode:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;)I6: ireturnLineNumberTable:line 3: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       7     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;//public final 修饰的 equals 方法public final boolean equals(java.lang.Object);descriptor: (Ljava/lang/Object;)Zflags: (0x0011) ACC_PUBLIC, ACC_FINALCode:stack=2, locals=2, args_size=20: aload_01: aload_1//核心实现是这个 invokedynamic，我们后面会分析2: invokedynamic #29,  0             // InvokeDynamic #0:equals:(Lcom/github/hashzhang/basetest/User;Ljava/lang/Object;)Z7: ireturnLineNumberTable:line 3: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       8     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;0       8     1     o   Ljava/lang/Object;//public 修饰的 id 的 getterpublic long id();descriptor: ()Jflags: (0x0001) ACC_PUBLICCode:stack=2, locals=1, args_size=10: aload_01: getfield      #7                  // Field id:J4: lreturnLineNumberTable:line 3: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       5     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;//public 修饰的 name 的 getterpublic java.lang.String name();descriptor: ()Ljava/lang/String;flags: (0x0001) ACC_PUBLICCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: getfield      #13                 // Field name:Ljava/lang/String;4: areturnLineNumberTable:line 3: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       5     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;//public 修饰的 age 的 getterpublic int age();descriptor: ()Iflags: (0x0001) ACC_PUBLICCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: getfield      #17                 // Field age:I4: ireturnLineNumberTable:line 3: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       5     0  this   Lcom/github/hashzhang/basetest/User;
}
SourceFile: "User.java"
Record:long id;descriptor: Jjava.lang.String name;descriptor: Ljava/lang/String;int age;descriptor: I//以下是 invokedynamic 会调用的方法以及参数信息，我们后面会分析
BootstrapMethods:0: #50 REF_invokeStatic java/lang/runtime/ObjectMethods.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/TypeDescriptor;Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/invoke/MethodHandle;)Ljava
/lang/Object;Method arguments:#8 com/github/hashzhang/basetest/User#57 id;name;age#59 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.id:J#60 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.name:Ljava/lang/String;#61 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.age:I
InnerClasses:public static final #67= #63 of #65;    // Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles

另一种是通过 IDE 的 jclasslib 插件查看，我推荐使用这种方法，查看效果如下：

自动生成的 private final field

自动生成的全属性构造器

自动生成的 public getter 方法

自动生成的 hashCode()，equals()，toString() 方法

这些方法的核心就是 invokedynamic：

看上去貌似是调用另外一个方法，这种间接调用难道没有性能损耗问题么？这一点 JVM 开发者已经想到了。我们先来来了解下 invokedynamic。

invokedynamic 产生的背景

Java 最早是一种静态类型语言，也就是说它的类型检查的主体过程主要是在编译期而不是运行期。为了兼容动态类型语法，也是为了 JVM 能够兼容动态语言（JVM 设计初衷并不是只能运行 Java），在 Java 7 引入了字节码指令 invokedynamic。这也是后来 Java 8 的拉姆达表达式以及 var 语法的实现基础。

invokedynamic 与 MethodHandle

invokedynamic 离不开对 java.lang.invoke 包的使用。这个包的主要目的是在之前单纯依靠符号引用来确定调用的目标方法这种方式以外，提供一种新的动态确定目标方法的机制，称为MethodHandle。

通过 MethodHandle 可以动态获取想调用的方法进行调用，和 Java Reflection 反射类似，但是为了追求性能效率，需要用 MethodHandle，主要原因是： Reflection 仅仅是 Java 语言上补充针对反射的实现，并没有考虑效率的问题，尤其是 JIT 基本无法针对这种反射调用进行有效的优化。MethodHandle 更是像是对于字节码的方法指令调用的模拟，适当使用的话 JIT 也能对于它进行优化，例如将 MethodHandle 相关方法引用声明为 static final 的：

private static final MutableCallSite callSite = new MutableCallSite(MethodType.methodType(int.class, int.class, int.class));
private static final MethodHandle invoker = callSite.dynamicInvoker();

自动生成的 toString(), hashcode(), equals() 的实现

通过字节码可以看出 incokedynamic 实际调用的是 BoostrapMethods 中的 #0 方法：

0 aload_0
1 invokedynamic #24 <hashCode, BootstrapMethods #0>
6 ireturn

Bootstap 方法表包括：

BootstrapMethods://调用的实际是 java.lang.runtime.ObjectMethods 的 boostrap 方法0: #50 REF_invokeStatic java/lang/runtime/ObjectMethods.bootstrap:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/TypeDescriptor;Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/invoke/MethodHandle;)Ljava
/lang/Object;Method arguments:#8 com/github/hashzhang/basetest/User#57 id;name;age#59 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.id:J#60 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.name:Ljava/lang/String;#61 REF_getField com/github/hashzhang/basetest/User.age:I
InnerClasses://声明 MethodHandles.Lookup 为 final，加快调用性能，这样调用 BootstrapMethods 里面的方法可以实现近似于直接调用的性能 public static final #67= #63 of #65;    // Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles

从这里，我们就能看出，实际上 toString() 调用的是 java.lang.runtime.ObjectMethods 的 bootstap() 方法。其核心代码是：
ObjectMethods.java

public static Object bootstrap(MethodHandles.Lookup lookup, String methodName, TypeDescriptor type,Class<?> recordClass,String names,MethodHandle... getters) throws Throwable {MethodType methodType;if (type instanceof MethodType)methodType = (MethodType) type;else {methodType = null;if (!MethodHandle.class.equals(type))throw new IllegalArgumentException(type.toString());}List<MethodHandle> getterList = List.of(getters);MethodHandle handle;//根据 method 名称，处理对应的逻辑，分别对应了 equals()，hashCode()，toString() 的实现switch (methodName) {case "equals":if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(boolean.class, recordClass, Object.class)))throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);handle = makeEquals(recordClass, getterList);return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;case "hashCode":if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(int.class, recordClass)))throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);handle = makeHashCode(recordClass, getterList);return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;case "toString":if (methodType != null && !methodType.equals(MethodType.methodType(String.class, recordClass)))throw new IllegalArgumentException("Bad method type: " + methodType);List<String> nameList = "".equals(names) ? List.of() : List.of(names.split(";"));if (nameList.size() != getterList.size())throw new IllegalArgumentException("Name list and accessor list do not match");handle = makeToString(recordClass, getterList, nameList);return methodType != null ? new ConstantCallSite(handle) : handle;default:throw new IllegalArgumentException(methodName);}}

其中，toString() 方法的核心实现逻辑，就要看case "toString" 这一分支了，核心逻辑是makeToString(recordClass, getterList, nameList)：

private static MethodHandle makeToString(Class<?> receiverClass,//所有的 getter 方法List<MethodHandle> getters,//所有的 field 名称List<String> names) {assert getters.size() == names.size();int[] invArgs = new int[getters.size()];Arrays.fill(invArgs, 0);MethodHandle[] filters = new MethodHandle[getters.size()];StringBuilder sb = new StringBuilder();//先拼接类名称[sb.append(receiverClass.getSimpleName()).append("[");for (int i=0; i<getters.size(); i++) {MethodHandle getter = getters.get(i); // (R)TMethodHandle stringify = stringifier(getter.type().returnType()); // (T)StringMethodHandle stringifyThisField = MethodHandles.filterArguments(stringify, 0, getter);    // (R)Stringfilters[i] = stringifyThisField;//之后拼接 field 名称=值sb.append(names.get(i)).append("=%s");if (i != getters.size() - 1)sb.append(", ");}sb.append(']');String formatString = sb.toString();MethodHandle formatter = MethodHandles.insertArguments(STRING_FORMAT, 0, formatString).asCollector(String[].class, getters.size()); // (R*)Stringif (getters.size() == 0) {// Add back extra Rformatter = MethodHandles.dropArguments(formatter, 0, receiverClass);}else {MethodHandle filtered = MethodHandles.filterArguments(formatter, 0, filters);formatter = MethodHandles.permuteArguments(filtered, MethodType.methodType(String.class, receiverClass), invArgs);}return formatter;
}

同理，hashcode() 实现是：

private static MethodHandle makeHashCode(Class<?> receiverClass,List<MethodHandle> getters) {MethodHandle accumulator = MethodHandles.dropArguments(ZERO, 0, receiverClass); // (R)I// 对于每一个 field，找到对应的 hashcode 方法，取 哈希值，最后组合在一起for (MethodHandle getter : getters) {MethodHandle hasher = hasher(getter.type().returnType()); // (T)IMethodHandle hashThisField = MethodHandles.filterArguments(hasher, 0, getter);    // (R)IMethodHandle combineHashes = MethodHandles.filterArguments(HASH_COMBINER, 0, accumulator, hashThisField); // (RR)Iaccumulator = MethodHandles.permuteArguments(combineHashes, accumulator.type(), 0, 0); // adapt (R)I to (RR)I}return accumulator;
}

同理，equals() 实现是：

private static MethodHandle makeEquals(Class<?> receiverClass,List<MethodHandle> getters) {MethodType rr = MethodType.methodType(boolean.class, receiverClass, receiverClass);MethodType ro = MethodType.methodType(boolean.class, receiverClass, Object.class);MethodHandle instanceFalse = MethodHandles.dropArguments(FALSE, 0, receiverClass, Object.class); // (RO)ZMethodHandle instanceTrue = MethodHandles.dropArguments(TRUE, 0, receiverClass, Object.class); // (RO)ZMethodHandle isSameObject = OBJECT_EQ.asType(ro); // (RO)ZMethodHandle isInstance = MethodHandles.dropArguments(CLASS_IS_INSTANCE.bindTo(receiverClass), 0, receiverClass); // (RO)ZMethodHandle accumulator = MethodHandles.dropArguments(TRUE, 0, receiverClass, receiverClass); // (RR)Z//对比两个对象的每个 field 的 getter 获取的值是否一样，对于引用类型通过 Objects.equals 方法，对于原始类型直接通过 == for (MethodHandle getter : getters) {MethodHandle equalator = equalator(getter.type().returnType()); // (TT)ZMethodHandle thisFieldEqual = MethodHandles.filterArguments(equalator, 0, getter, getter); // (RR)Zaccumulator = MethodHandles.guardWithTest(thisFieldEqual, accumulator, instanceFalse.asType(rr));}return MethodHandles.guardWithTest(isSameObject,instanceTrue,MethodHandles.guardWithTest(isInstance, accumulator.asType(ro), instanceFalse));}

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