从反编译深入理解JAVA内部类类结构以及final关键字

1.为什么成员内部类可以无条件访问外部类的成员?

在此之前,我们已经讨论过了成员内部类可以无条件访问外部类的成员,那具体究竟是如何实现的呢?下面通过反编译字节码文件看看究竟。事实上,编译器在进行编译的时候,会将成员内部类单独编译成一个字节码文件,下面是Outter.java的代码:

public class Outter {
    private Inner inner = null;
    public Outter() {
    }

    public Inner getInnerInstance() {
        if(inner == null)
            inner = new Inner();
        return inner;
    }

    protected class Inner {
        public Inner() {

        }
    }
}

编译之后,出现了两个字节码文件:

image

反编译Outter$Inner.class文件得到下面信息:

>E:\Workspace\Test\bin\com\cxh\test2>javap -v Outter$Inner
Compiled from "Outter.java"
public class com.cxh.test2.Outter$Inner extends java.lang.Object
  SourceFile: "Outter.java"
  InnerClass:
   #24= #1 of #22; //Inner=class com/cxh/test2/Outter$Inner of class com/cxh/tes
t2/Outter
  minor version: 0
  major version: 50
  Constant pool:
const #1 = class        #2;     //  com/cxh/test2/Outter$Inner
const #2 = Asciz        com/cxh/test2/Outter$Inner;
const #3 = class        #4;     //  java/lang/Object
const #4 = Asciz        java/lang/Object;
const #5 = Asciz        this$0;
const #6 = Asciz        Lcom/cxh/test2/Outter;;
const #7 = Asciz        <init>;
const #8 = Asciz        (Lcom/cxh/test2/Outter;)V;
const #9 = Asciz        Code;
const #10 = Field       #1.#11; //  com/cxh/test2/Outter$Inner.this$0:Lcom/cxh/t
est2/Outter;
const #11 = NameAndType #5:#6;//  this$0:Lcom/cxh/test2/Outter;
const #12 = Method      #3.#13; //  java/lang/Object."<init>":()V
const #13 = NameAndType #7:#14;//  "<init>":()V
const #14 = Asciz       ()V;
const #15 = Asciz       LineNumberTable;
const #16 = Asciz       LocalVariableTable;
const #17 = Asciz       this;
const #18 = Asciz       Lcom/cxh/test2/Outter$Inner;;
const #19 = Asciz       SourceFile;
const #20 = Asciz       Outter.java;
const #21 = Asciz       InnerClasses;
const #22 = class       #23;    //  com/cxh/test2/Outter
const #23 = Asciz       com/cxh/test2/Outter;
const #24 = Asciz       Inner;

{
final com.cxh.test2.Outter this$0;

public com.cxh.test2.Outter$Inner(com.cxh.test2.Outter);
  Code:
   Stack=2, Locals=2, Args_size=2
   0:   aload_0
   1:   aload_1
   2:   putfield        #10; //Field this$0:Lcom/cxh/test2/Outter;
   5:   aload_0
   6:   invokespecial   #12; //Method java/lang/Object."<init>":()V
   9:   return
  LineNumberTable:
   line 16: 0
   line 18: 9

  LocalVariableTable:
   Start  Length  Slot  Name   Signature
   0      10      0    this       Lcom/cxh/test2/Outter$Inner;

}

第11行到35行是常量池的内容,下面逐一第38行的内容:

final com.cxh.test2.Outter this$0;

这行是一个指向外部类对象的指针,看到这里想必大家豁然开朗了。也就是说编译器会默认为成员内部类添加了一个指向外部类对象的引用,那么这个引用是如何赋初值的呢?下面接着看内部类的构造器:

public com.cxh.test2.Outter$Inner(com.cxh.test2.Outter);

从这里可以看出,虽然我们在定义的内部类的构造器是无参构造器,编译器还是会默认添加一个参数,该参数的类型为指向外部类对象的一个引用,所以成员内部类中的Outter this&0 指针便指向了外部类对象,因此可以在成员内部类中随意访问外部类的成员。从这里也间接说明了成员内部类是依赖于外部类的,如果没有创建外部类的对象,则无法对Outter this&0引用进行初始化赋值,也就无法创建成员内部类的对象了。所以,如果在外部类没有人引用的时候,而成员内部类有人引用,外部类因为被内部类引用所以不会被回收。这就是Android中常见的Activity内存泄露产生的原因。

2.为什么局部内部类和匿名内部类只能访问局部final变量?

想必这个问题也曾经困扰过很多人,在讨论这个问题之前,先看下面这段代码:

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {

    }

    public void test(final int b) {
        final int a = 10;
        new Thread(){
            public void run() {
                System.out.println(a);
                System.out.println(b);
            };
        }.start();
    }
}

这段代码会被编译成两个class文件:Test.class和Test1.class。默认情况下,编译器会为匿名内部类和局部内部类起名为Outterx.class(x为正整数)。

image

根据上图可知,test方法中的匿名内部类的名字被起为 Test$1。

上段代码中,如果把变量a和b前面的任一个final去掉,这段代码都编译不过。我们先考虑这样一个问题:

当test方法执行完毕之后,变量a的生命周期就结束了,而此时Thread对象的生命周期很可能还没有结束,那么在Thread的run方法中继续访问变量a就变成不可能了,但是又要实现这样的效果,怎么办呢?Java采用了 复制 的手段来解决这个问题。将这段代码的字节码反编译可以得到下面的内容:

image

我们看到在run方法中有一条指令:

bipush 10

这条指令表示将操作数10压栈,表示使用的是一个本地局部变量。这个过程是在编译期间由编译器默认进行,如果这个变量的值在编译期间可以确定,则编译器默认会在匿名内部类(局部内部类)的常量池中添加一个内容相等的字面量或直接将相应的字节码嵌入到执行字节码中。这样一来,匿名内部类使用的变量是另一个局部变量,只不过值和方法中局部变量的值相等,因此和方法中的局部变量完全独立开。

下面再看一个例子:

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {

    }

    public void test(final int a) {
        new Thread(){
            public void run() {
                System.out.println(a);
            };
        }.start();
    }
}

反编译得到:

image

我们看到匿名内部类Test$1的构造器含有两个参数,一个是指向外部类对象的引用,一个是int型变量,很显然,这里是将变量test方法中的形参a以参数的形式传进来对匿名内部类中的拷贝(变量a的拷贝)进行赋值初始化。

也就说如果局部变量的值在编译期间就可以确定,则直接在匿名内部里面创建一个拷贝。如果局部变量的值无法在编译期间确定,则通过构造器传参的方式来对拷贝进行初始化赋值。

从上面可以看出,在run方法中访问的变量a根本就不是test方法中的局部变量a。这样一来就解决了前面所说的 生命周期不一致的问题。但是新的问题又来了,既然在run方法中访问的变量a和test方法中的变量a不是同一个变量,当在run方法中改变变量a的值的话,会出现什么情况?

对,会造成数据不一致性,这样就达不到原本的意图和要求。为了解决这个问题,java编译器就限定必须将变量a限制为final变量,不允许对变量a进行更改(对于引用类型的变量,是不允许指向新的对象),这样数据不一致性的问题就得以解决了。

到这里,想必大家应该清楚为何 方法中的局部变量和形参都必须用final进行限定了。

3.静态内部类有特殊的地方吗?

从前面可以知道,静态内部类是不依赖于外部类的,也就说可以在不创建外部类对象的情况下创建内部类的对象。另外,静态内部类是不持有指向外部类对象的引用的,这个读者可以自己尝试反编译class文件看一下就知道了,是没有Outter this&0引用的。

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