Java8-13新特性中的Lambda表达式为什么运行效率低

2023-08-19 09:04:28

前言

我为什么说Lambda表达式运行效率低。

先准备一个list：

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

先用Lambda表达式的方式来循环一下这个list：

long lambdaStart = System.currentTimeMillis();
list.forEach(i -> {
    // 不用做事情，循环就够了
});
long lambdaEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("lambda循环运行毫秒数===" + (lambdaEnd - lambdaStart));

运行时间大概为110ms

再用普通方式来循环一下这个list：

long normalStart = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    // 不用做事情，循环就够了
}
long normalEnd = System.currentTimeMillis();
System.out.println("普通循环运行毫秒数===" + (normalEnd - normalStart));

运行时间大概为0ms或1ms

你们没看错，运行时间差别就是这么大，不相信的话大家可以自己去试一下，并且这并不是只有在循环时使用Lambda表达式才会导致运行效率低，而是Lambda表达式在运行时就是会需要额外的时间，我们继续来分析。

分析

如果我们要研究Lambda表达式，最正确、最直接的方法就是查看它所对应的字节码指令。

使用以下命令查看class文件对应的字节码指令：

javap -v -p Test.class

上述命令解析出来的指令非常多，我这里提取比较重要的部分来给大家分析：

使用Lambda表达式所对应的字节码指令如下：

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

不使用Lambda表达式所对应的字节码指令如下：

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

从上面两种方式所对应的字节码指令可以看出，两种方式的执行方式确实不太一样。

循环流程

不使用Lambda表达式执行循环流程

字节码指令执行步骤：

82:invokestatic：执行静态方法，java/lang/System.currentTimeMillis:();
85-92: 简单来说就是初始化数据，int i = 0;
93:invokeinterface：执行接口方法，接口为List，所以真正执行的是就是ArrayList.size方法;
98:if_icmpge：比较，相当于执行i < list.size();
101:iinc： i++;
104:goto：进行下一次循环;
107:invokestatic：执行静态方法;

那么这个流程大家应该问题不大，是一个很正常的循环逻辑。

使用Lambda表达式执行循环流程
我们再来看一下对应的字节码指令：

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

字节码指令执行步骤：

34: invokestatic：执行静态方法，java/lang/System.currentTimeMillis:();
37-38：初始化数据
39: invokedynamic：这是在干什么？
44: invokeinterface：执行java/util/List.forEach()方法
49: invokestatic：执行静态方法，java/lang/System.currentTimeMillis:();

和上面正常循环的方式的字节码指令不太一样，我们认真的看一下这个字节码指令，这个流程并不像是一个循环的流程，而是一个方法顺序执行的流程：

先初始化一些数据
执行invokedynamic指令（暂时这个指令是做什么的）
然后执行java/util/List.forEach()方法，所以真正的循环逻辑在这里

所以我们可以发现，使用Lambda表达式循环时，在循环前会做一些其他事情，所以导致执行时间要更长一点。

那么invokedynamic指令到底做了什么事情呢？

java/util/List.forEach方法接收一个参数Consumer<? super T> action，Consumer是一个接口，所以如果要调用这个方法，就要传递该接口类型的对象。

而我们在代码里实际上是传递的一个Lambda表达式，那么我们这里可以假设：需要将Lambda表达式转换成对象，且该对象的类型需要根据该Lambda表达式所使用的地方在编译时期进行反推。

这里在解释一下反推：一个Lambda表达式是可以被多个方法使用的，而且这个方法所接收的参数类型，也就是函数式接口，是可以不一样的，只要函数式接口符合该Lambda表达式的定义即可。

本例中，编译器在编译时可以反推出，Lambda表达式对应一个Cosumer接口类型的对象。

那么如果要将Lambda表达式转换成一个对象，就需要有一个类实现Consumer接口。

所以，现在的问题就是这个类是什么时候生成的，并且生成在哪里了？

所以，我们慢慢的应该能够想到，invokedynamic指令，它是不是就是先将Lambda表达式转换成某个类，然后生成一个实例以便提供给forEach方法调用呢？

我们回头再看一下invokedynamic指令：

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

Java中调用函数有四大指令：invokevirtual、invokespecial、invokestatic、invokeinterface，在JSR 292 添加了一个新的指令invokedynamic，这个指令表示执行动态语言，也就是Lambda表达式。

该指令注释中的#0表示的是BootstrapMethods中的第0个方法：

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

所以invokedynamic执行时，实际上就是执行BootstrapMethods中的方法，比如本例中的：java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metafactory。

代码如下：

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();
    }

这个方法中用到了一个特别明显且易懂的类：InnerClassLambdaMetafactory。

这个类是一个针对Lambda表达式生成内部类的工厂类。当调用buildCallSite方法是会生成一个内部类并且生成该类的一个实例。

那么现在要生成一个内部类，需要一些什么条件呢：

类名：可按一些规则生成
类需要实现的接口：编译时就已知了，本例中就是Consumer接口
实现接口里面的方法：本例中就是Consumer接口的void accept(T t)方法。

那么内部类该怎么实现void accept(T t)方法呢？

我们再来看一下javap -v -p Test.class的结果中除开我们自己实现的方法外还多了一个方法：

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;

很明显，这个静态的lambda$main$0方法代表的就是我们写的Lambda表达式，只是因为我们例子中Lambda表达式没写什么逻辑，所以这段字节码指令Code部分也没有什么内容。

那么，我们现在在实现内部类中的void accept(T t)方法时，只要调用一个这个lambda$main$0静态方法即可。

所以到此，一个内部类就可以被正常的实现出来了，内部类有了之后，Lambda表达式就是可以被转换成这个内部类的对象，就可以进行循环了。

创作不易，觉得写的不错的，还请三连评论一下

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