Java8-13新特性中的Lambda表達式為什麼運行效率低

準備

我為什麼說Lambda表達式運行效率低

先準備一個list：

<code>List<integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    list.add(i);
}/<integer>/<code>

先用Lambda表達式的方式來循環一下這個list：

<code>long lambdaStart = System.currentTimeMillis();
list.forEach(i -> {
    // 不用做事情，循環就夠了
});
long lambdaEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("lambda循環運行毫秒數===" + (lambdaEnd - lambdaStart));/<code>

運行時間大概為110ms

再用普通方式來循環一下這個list：

<code>long normalStart = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    // 不用做事情，循環就夠了
}
long normalEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("普通循環運行毫秒數===" + (normalEnd - normalStart));/<code>

運行時間大概為0ms或1ms

你們沒看錯，運行時間差別就是這麼大，不相信的話大家可以自己去試一下，並且這並不是只有在循環時使用Lambda表達式才會導致運行效率低，而是Lambda表達式在運行時就是會需要額外的時間，我們繼續來分析。

分析

如果我們要研究Lambda表達式，最正確、最直接的方法就是查看它所對應的字節碼指令。

使用以下命令查看class文件對應的字節碼指令：

<code>javap -v -p Test.class/<code>

上述命令解析出來的指令非常多，我這裡提取比較重要的部分來給大家分析：

使用Lambda表達式所對應的字節碼指令如下：

<code>34: invokestatic  #6        // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J
37: lstore_2
38: aload_1
39: invokedynamic #7,  0    // InvokeDynamic #0:accept:()Ljava/util/function/Consumer;
44: invokeinterface #8,  2  // InterfaceMethod java/util/List.forEach:(Ljava/util/function/Consumer;)V
49: invokestatic  #6        // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J/<code>

不使用Lambda表達式所對應的字節碼指令如下：

<code>82: invokestatic  #6          // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J
85: lstore        6
87: iconst_0
88: istore        8
90: iload         8
92: aload_1
93: invokeinterface #17,  1   // InterfaceMethod java/util/List.size:()I
98: if_icmpge     107
101: iinc          8, 1
104: goto          90
107: invokestatic  #6         // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J/<code>

從上面兩種方式所對應的字節碼指令可以看出，兩種方式的執行方式確實不太一樣。

不使用Lambda表達式執行循環流程

字節碼指令執行步驟：

• 82:invokestatic： 執行靜態方法，java/lang/System.currentTimeMillis:();
• 85-92: 簡單來說就是初始化數據，int i = 0;
• 93:invokeinterface：執行接口方法，接口為List，所以真正執行的是就是ArrayList.size方法;
• 98:if_icmpge： 比較，相當於執行i < list.size();
• 101:iinc： i++;
• 104:goto： 進行下一次循環;
• 107:invokestatic： 執行靜態方法;

那麼這個流程大家應該問題不大，是一個很正常的循環邏輯。

使用Lambda表達式執行循環流程

我們再來看一下對應的字節碼指令：

<code>34: invokestatic  #6        // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J
37: lstore_2
38: aload_1
39: invokedynamic #7,  0    // InvokeDynamic #0:accept:()Ljava/util/function/Consumer;
44: invokeinterface #8,  2  // InterfaceMethod java/util/List.forEach:(Ljava/util/function/Consumer;)V
49: invokestatic  #6        // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J/<code>

字節碼指令執行步驟：

• 34: invokestatic： 執行靜態方法，java/lang/System.currentTimeMillis:();
• 37-38： 初始化數據
• 39: invokedynamic： 這是在幹什麼？
• 44: invokeinterface： 執行java/util/List.forEach()方法
• 49: invokestatic： 執行靜態方法，java/lang/System.currentTimeMillis:();

和上面正常循環的方式的字節碼指令不太一樣，我們認真的看一下這個字節碼指令，這個流程並不像是一個循環的流程，而是一個方法順序執行的流程：

• 先初始化一些數據
• 執行invokedynamic指令（暫時這個指令是做什麼的）
• 然後執行java/util/List.forEach()方法，所以真正的循環邏輯在這裡

所以我們可以發現，使用Lambda表達式循環時，在循環前會做一些其他事情，所以導致執行時間要更長一點。

那麼invokedynamic指令到底做了什麼事情呢？

java/util/List.forEach方法接收一個參數Consumer super T> action，Consumer是一個接口，所以如果要調用這個方法，就要傳遞該接口類型的對象。

而我們在代碼裡實際上是傳遞的一個Lambda表達式，那麼我們這裡可以假設：需要將Lambda表達式轉換成對象，且該對象的類型需要根據該Lambda表達式所使用的地方在編譯時期進行反推。

這裡在解釋一下反推：一個Lambda表達式是可以被多個方法使用的，而且這個方法所接收的參數類型，也就是函數式接口，是可以不一樣的，只要函數式接口符合該Lambda表達式的定義即可。

本例中，編譯器在編譯時可以反推出，Lambda表達式對應一個Cosumer接口類型的對象。

那麼如果要將Lambda表達式轉換成一個對象，就需要有一個類實現Consumer接口。

所以，現在的問題就是這個類是什麼時候生成的，並且生成在哪裡了？

所以，我們慢慢的應該能夠想到，invokedynamic指令，它是不是就是先將Lambda表達式轉換成某個類，然後生成一個實例以便提供給forEach方法調用呢？

我們回頭再看一下invokedynamic指令：

<code>invokedynamic #7,  0    // InvokeDynamic #0:accept:()Ljava/util/function/Consumer;/<code>

Java中調用函數有四大指令：invokevirtual、invokespecial、invokestatic、invokeinterface，在JSR 292 添加了一個新的指令invokedynamic，這個指令表示執行動態語言，也就是Lambda表達式。

該指令註釋中的#0表示的是BootstrapMethods中的第0個方法：

<code>BootstrapMethods:
  0: #60 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
    Method arguments:
      #61 (Ljava/lang/Object;)V
      #62 invokestatic com/luban/Test.lambda$main$0:(Ljava/lang/Integer;)V
      #63 (Ljava/lang/Integer;)V/<code>

所以invokedynamic執行時，實際上就是執行BootstrapMethods中的方法，比如本例中的：java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory。

代碼如下：

<code>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();
    }/<code>

這個方法中用到了一個特別明顯且易懂的類：InnerClassLambdaMetafactory。

這個類是一個針對Lambda表達式生成內部類的工廠類。當調用buildCallSite方法是會生成一個內部類並且生成該類的一個實例。

那麼現在要生成一個內部類，需要一些什麼條件呢：

1. 類名：可按一些規則生成
2. 類需要實現的接口：編譯時就已知了，本例中就是Consumer接口
3. 實現接口裡面的方法：本例中就是Consumer接口的void accept(T t)方法。

那麼內部類該怎麼實現void accept(T t)方法呢？

我們再來看一下javap -v -p Test.class的結果中除開我們自己實現的方法外還多了一個方法：

<code>private static void lambda$main$0(java.lang.Integer);
    descriptor: (Ljava/lang/Integer;)V
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_SYNTHETIC 

    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 25: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       1     0     i   Ljava/lang/Integer;/<code>

很明顯，這個靜態的lambda$main$0方法代表的就是我們寫的Lambda表達式，只是因為我們例子中Lambda表達式沒寫什麼邏輯，所以這段字節碼指令Code部分也沒有什麼內容。

那麼，我們現在在實現內部類中的void accept(T t)方法時，只要調用一個這個lambda$main$0靜態方法即可。

所以到此，一個內部類就可以被正常的實現出來了，內部類有了之後，Lambda表達式就是可以被轉換成這個內部類的對象，就可以進行循環了。

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關鍵字: 運行 表達式 效率