java枚举类型的实现原理

2023-08-14 11:31:16

Java从JDK1.5开始支持枚举，也就是说，Java一开始是不支持枚举的，就像泛型一样，都是JDK1.5才加入的新特性。通常一个特性如果在一开始没有提供，在语言发展后期才添加，会遇到一个问题，就是向后兼容性的问题。像Java在1.5中引入的很多特性，为了向后兼容，编译器会帮我们写的源代码做很多事情，比如泛型为什么会擦除类型，为什么会生成桥接方法，foreach迭代，自动装箱/拆箱等，这有个术语叫“语法糖”，而编译器的特殊处理叫“解语法糖”。那么像枚举也是在JDK1.5中才引入的，又是怎么实现的呢？Java在1.5中添加了java.lang.Enum抽象类，它是所有枚举类型基类。提供了一些基础属性和基础方法。同时，对把枚举用作Set和Map也提供了支持，即java.util.EnumSet和java.util.EnumMap。
如何定义枚举类型
比如表示加减乘除操作，我们可以定义如下枚举：

public enum Operator {
 
    ADD,
    SUBTRACT,
    MULTIPLY,
    DIVIDE
 
}

上面的枚举定义了四个枚举常量，同时，在枚举中还可以定义普通方法、抽象方法，如下所示：

public enum Operator {
 
    ADD {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            return a + b;
        }
    },
    SUBTRACT {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            return a - b;
        }
    },
    MULTIPLY {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            return a * b;
        }
    },
    DIVIDE {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            if (b == 0) {
                throw new IllegalArgumentException("divisor must not be 0");
            }
            return a / b;
        }
    };
 
    public abstract int calculate(int a, int b);
 
}

从上面可以看到，我们基本可以像定义类一样来定义枚举。我们还可以定义属性、构造方法等：

 

public enum Operator {
 
    ADD ("+") {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            return a + b;
        }
    },
    SUBTRACT ("-") {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            return a - b;
        }
    },
    MULTIPLY  ("*") {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            return a * b;
        }
    },
    DIVIDE ("/") {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            if (b == 0) {
                throw new IllegalArgumentException("divisor must not be 0");
            }
            return a / b;
        }
    };
 
    Operator (String operator) {
        this.operator = operator;
    }
 
    private String operator;
 
    public abstract int calculate(int a, int b);
 
    public String getOperator() {
        return operator;
    }
 
}

实现原理分析
既然可以像使用普通的类一样使用枚举，编译器究竟为我们做了些什么事呢？要想知道这其中的秘密，最有效的途径就是查看生成的字节码。下面就来看看上面定义的枚举生成的字节码是怎么样的。
首先来看看反编译的基本信息：

localhost:mikan mikan$ javap Operator.class
Compiled from "Operator.java"
public abstract class com.mikan.Operator extends java.lang.Enum<com.mikan.Operator> {
  public static final com.mikan.Operator ADD;
  public static final com.mikan.Operator SUBTRACT;
  public static final com.mikan.Operator MULTIPLY;
  public static final com.mikan.Operator DIVIDE;
  public static com.mikan.Operator[] values();
  public static com.mikan.Operator valueOf(java.lang.String);
  public abstract int calculate(int, int);
  public java.lang.String getOperator();
  com.mikan.Operator(java.lang.String, int, java.lang.String, com.mikan.Operator$1);
  static {};
}

可以看到，一个枚举在经过编译器编译过后，变成了一个抽象类，它继承了java.lang.Enum；而枚举中定义的枚举常量，变成了相应的public static final属性，而且其类型就抽象类的类型，名字就是枚举常量的名字，同时我们可以在Operator.class的相同路径下看到四个内部类的.class文件com/mikan/Operator$1.class、com/mikan/Operator$2.class、com/mikan/Operator$3.class、com/mikan/Operator$4.class，也就是说这四个命名字段分别使用了内部类来实现的；同时添加了两个方法values()和valueOf(String)；我们定义的构造方法本来只有一个参数，但却变成了三个参数；同时还生成了一个静态代码块。这些具体的内容接下来仔细看看。
看下面详细的反编译信息：

localhost:mikan mikan$ javap -c -v Operator.class
Classfile /Users/mikan/Documents/workspace/project/algorithm/target/classes/com/mikan/Operator.class
  Last modified 2015-8-29; size 1720 bytes
  MD5 checksum 478439554cb827fec3c36cf51c8d36da
  Compiled from "Operator.java"
public abstract class com.mikan.Operator extends java.lang.Enum<com.mikan.Operator>
  Signature: #67                          // Ljava/lang/Enum<Lcom/mikan/Operator;>;
  SourceFile: "Operator.java"
  InnerClasses:
       static #24; //class com/mikan/Operator$4
       static #19; //class com/mikan/Operator$3
       static #14; //class com/mikan/Operator$2
       static #9; //class com/mikan/Operator$1
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER, ACC_ABSTRACT, ACC_ENUM
Constant pool:
  // 省略常量池信息
{
  public static final com.mikan.Operator ADD;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_ENUM
  public static final com.mikan.Operator SUBTRACT;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_ENUM
  public static final com.mikan.Operator MULTIPLY;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_ENUM
  public static final com.mikan.Operator DIVIDE;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_ENUM
  public static com.mikan.Operator[] values();
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #2                  // Field $VALUES:[Lcom/mikan/Operator;
         3: invokevirtual #3                  // Method "[Lcom/mikan/Operator;".clone:()Ljava/lang/Object;
         6: checkcast     #4                  // class "[Lcom/mikan/Operator;"
         9: areturn
      LineNumberTable:
        line 7: 0
 
  public static com.mikan.Operator valueOf(java.lang.String);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: ldc_w         #5                  // class com/mikan/Operator
         3: aload_0
         4: invokestatic  #6                  // Method java/lang/Enum.valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
         7: checkcast     #5                  // class com/mikan/Operator
        10: areturn
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0      11     0  name   Ljava/lang/String;
 
  public abstract int calculate(int, int);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_ABSTRACT
 
  public java.lang.String getOperator();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #8                  // Field operator:Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 46: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       5     0  this   Lcom/mikan/Operator;
 
  com.mikan.Operator(java.lang.String, int, java.lang.String, com.mikan.Operator$1);
    flags: ACC_SYNTHETIC
    Code:
      stack=4, locals=5, args_size=5
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: iload_2
         3: aload_3
         4: invokespecial #1                  // Method "<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
         7: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       8     0  this   Lcom/mikan/Operator;
               0       8     1    x0   Ljava/lang/String;
               0       8     2    x1   I
               0       8     3    x2   Ljava/lang/String;
               0       8     4    x3   Lcom/mikan/Operator$1;
 
  static {};
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=5, locals=0, args_size=0
         0: new           #9                  // class com/mikan/Operator$1
         3: dup
         4: ldc           #10                 // String ADD
         6: iconst_0
         7: ldc           #11                 // String +
         9: invokespecial #12                 // Method com/mikan/Operator$1."<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
        12: putstatic     #13                 // Field ADD:Lcom/mikan/Operator;
        15: new           #14                 // class com/mikan/Operator$2
        18: dup
        19: ldc           #15                 // String SUBTRACT
        21: iconst_1
        22: ldc           #16                 // String -
        24: invokespecial #17                 // Method com/mikan/Operator$2."<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
        27: putstatic     #18                 // Field SUBTRACT:Lcom/mikan/Operator;
        30: new           #19                 // class com/mikan/Operator$3
        33: dup
        34: ldc           #20                 // String MULTIPLY
        36: iconst_2
        37: ldc           #21                 // String *
        39: invokespecial #22                 // Method com/mikan/Operator$3."<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
        42: putstatic     #23                 // Field MULTIPLY:Lcom/mikan/Operator;
        45: new           #24                 // class com/mikan/Operator$4
        48: dup
        49: ldc           #25                 // String DIVIDE
        51: iconst_3
        52: ldc           #26                 // String /
        54: invokespecial #27                 // Method com/mikan/Operator$4."<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
        57: putstatic     #28                 // Field DIVIDE:Lcom/mikan/Operator;
        60: iconst_4
        61: anewarray     #5                  // class com/mikan/Operator
        64: dup
        65: iconst_0
        66: getstatic     #13                 // Field ADD:Lcom/mikan/Operator;
        69: aastore
        70: dup
        71: iconst_1
        72: getstatic     #18                 // Field SUBTRACT:Lcom/mikan/Operator;
        75: aastore
        76: dup
        77: iconst_2
        78: getstatic     #23                 // Field MULTIPLY:Lcom/mikan/Operator;
        81: aastore
        82: dup
        83: iconst_3
        84: getstatic     #28                 // Field DIVIDE:Lcom/mikan/Operator;
        87: aastore
        88: putstatic     #2                  // Field $VALUES:[Lcom/mikan/Operator;
        91: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 15: 15
        line 21: 30
        line 27: 45
        line 7: 60
}
localhost:mikan mikan$

下面分析一下字节码中的各部分，其中：

InnerClasses:
       static #24; //class com/mikan/Operator$4
       static #19; //class com/mikan/Operator$3
       static #14; //class com/mikan/Operator$2
       static #9; //class com/mikan/Operator$1

从中可以看到它有4个内部类，这四个内部类的详细信息后面会分析。
静态代码块：

 static {};
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=5, locals=0, args_size=0
// 创建一个Operator$1的内部类对象
         0: new           #9                  // class com/mikan/Operator$1
         3: dup
// 接下来的三条指令分别是把三个参数推送到栈顶，然后调用Operator$1的编译器生成的<init>方法
         4: ldc           #10                 // String ADD
         6: iconst_0
         7: ldc           #11                 // String +
// 调用<init>方法
         9: invokespecial #12                 // Method com/mikan/Operator$1."<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
// 设置ADD属性的值为新创建的对象
        12: putstatic     #13                 // Field ADD:Lcom/mikan/Operator;
// 接下来是分别初始化另外三个属性SUBTRACT、MULTIPLY、DIVIDE，这里就不再重复
        15: new           #14                 // class com/mikan/Operator$2
        18: dup
        19: ldc           #15                 // String SUBTRACT
        21: iconst_1
        22: ldc           #16                 // String -
        24: invokespecial #17                 // Method com/mikan/Operator$2."<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
        27: putstatic     #18                 // Field SUBTRACT:Lcom/mikan/Operator;
        30: new           #19                 // class com/mikan/Operator$3
        33: dup
        34: ldc           #20                 // String MULTIPLY
        36: iconst_2
        37: ldc           #21                 // String *
        39: invokespecial #22                 // Method com/mikan/Operator$3."<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
        42: putstatic     #23                 // Field MULTIPLY:Lcom/mikan/Operator;
        45: new           #24                 // class com/mikan/Operator$4
        48: dup
        49: ldc           #25                 // String DIVIDE
        51: iconst_3
        52: ldc           #26                 // String /
        54: invokespecial #27                 // Method com/mikan/Operator$4."<init>":(Ljava/lang/String;ILjava/lang/String;)V
        57: putstatic     #28                 // Field DIVIDE:Lcom/mikan/Operator;
// 下面是new了一个长度为4的Operator类型的数组，并分别设置数组中各元素的值为上面的四个属性的值
        60: iconst_4
        61: anewarray     #5                  // class com/mikan/Operator
        64: dup
        65: iconst_0
        66: getstatic     #13                 // Field ADD:Lcom/mikan/Operator;
        69: aastore
        70: dup
        71: iconst_1
        72: getstatic     #18                 // Field SUBTRACT:Lcom/mikan/Operator;
        75: aastore
        76: dup
        77: iconst_2
        78: getstatic     #23                 // Field MULTIPLY:Lcom/mikan/Operator;
        81: aastore
        82: dup
        83: iconst_3
        84: getstatic     #28                 // Field DIVIDE:Lcom/mikan/Operator;
        87: aastore
//下面是设置属性$VALUES的值为刚创建的数组
        88: putstatic     #2                  // Field $VALUES:[Lcom/mikan/Operator;
        91: return

其实编译器生成的这个静态代码块做了如下工作：分别设置生成的四个公共静态常量字段的值，同时编译器还生成了一个静态字段$VALUES，保存的是枚举类型定义的所有枚举常量。相当于下面的代码：

Operator ADD = new Operator1();
Operator SUBTRACT = new Operator1();
Operator MULTIPLY = new Operator1();
Operator DIVIDE = new Operator1();
Operator[] $VALUES = new Operator[4];
$VALUES[0] = ADD;
$VALUES[1] = SUBTRACT;
$VALUES[2] = MULTIPLY;
$VALUES[3] = DIVIDE;

编译器添加的values方法：

public static com.mikan.Operator[] values();
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #2                  // Field $VALUES:[Lcom/mikan/Operator;
         3: invokevirtual #3                  // Method "[Lcom/mikan/Operator;".clone:()Ljava/lang/Object;
         6: checkcast     #4                  // class "[Lcom/mikan/Operator;"
         9: areturn

这个方法是一个公共的静态方法，所以我们可以直接调用该方法（Operator.values()）,返回这个枚举值的数组，另外，这个方法的实现是，克隆在静态代码块中初始化的$VALUES字段的值，并把类型强转成Operator[]类型返回。它相当于下面的代码：

public static com.mikan.Operator[] values() {
return (Operator[])$VALUES.clone();
}

编译器添加的valueOf方法：

public static com.mikan.Operator valueOf(java.lang.String);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: ldc_w         #5                  // class com/mikan/Operator
         3: aload_0
         4: invokestatic  #6                  // Method java/lang/Enum.valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
         7: checkcast     #5                  // class com/mikan/Operator
        10: areturn

这个方法是一个公共的静态方法，所以我们可以直接调用该方法（Operator.valueOf()）,返回参数字符串表示的枚举常量，另外，这个方法的实现是，调用父类Enum的valueOf方法，并把类型强转成Operator。它相当于如下的代码：

public static com.mikan.Operator valueOf(String name) {
return (Operator)Enum.valueOf(Operator.class, name);
}

生成的内部类
下面看看生成的内部类Operator$1：

localhost:mikan mikan$ javap Operator\$1.class
Compiled from "Operator.java"
final class com.mikan.Operator$1 extends com.mikan.Operator {
  com.mikan.Operator$1(java.lang.String, int, java.lang.String);
  public int calculate(int, int);
}
localhost:mikan mikan$

可以看到，实现内部类是继承自Operator，即

ADD {
        @Override
        public int calculate(int a, int b) {
            return a + b;
        }
    },

这就是说，我们定义的每个枚举常量，最终都生成了一个像上面这样的内部类。
构造方法为什么增加了两个参数？
有一个问题，构造方法我们明明只定义了一个参数，为什么生成的构造方法是三个参数呢？
从Enum类中我们可以看到，为每个枚举都定义了两个属性，name和ordinal，name表示我们定义的枚举常量的名称，如ADD、SUBTRACT等，而ordinal是一个顺序号，根据定义的顺序分别赋予一个整形值，从0开始。在枚举常量初始化时，会自动为初始化这两个字段，设置相应的值，所以才在构造方法中添加了两个参数。即：

  com.mikan.Operator$1(String name, int ordinal, String operator);

另外三个枚举常量生成的内部类基本上差不多，这里就不重复说明了。
我们可以从Enum类的代码中看到，定义的name和ordinal属性都是final的，而且大部分方法也都是final的，特别是clone、readObject、writeObject这三个方法，这三个方法和枚举通过静态代码块来进行初始化一起，它保证了枚举类型的不可变性，不能通过克隆，不能通过序列化和反序列化来复制枚举，这能保证一个枚举常量只是一个实例，即是单例的，所以在effective java中推荐使用枚举来实现单例。
总结
枚举本质上是通过普通的类来实现的，只是编译器为我们进行了处理。每个枚举类型都继承自java.lang.Enum，并自动添加了values和valueOf方法。而每个枚举常量是一个静态常量字段，使用内部类实现，该内部类继承了枚举类。所有枚举常量都通过静态代码块来进行初始化，即在类加载期间就初始化。另外通过把clone、readObject、writeObject这三个方法定义为final的，同时实现是抛出相应的异常。这样保证了每个枚举类型及枚举常量都是不可变的。可以利用枚举的这两个特性来实现线程安全的单例。

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