Java11 中基于嵌套关系的访问控制优化

你好，我是看山。

Java 语言很强大，但是，有人的地方就有江湖，有猿的地方就有 bug，Java 的核心代码并非十全十美。比如在 JDK 中居然也有反模式接口常量 中介绍的反模式实现，以及本文说到的这个技术债务：嵌套关系（NestMate）调用方式。

在 Java 语言中，类和接口可以相互嵌套，这种组合之间可以不受限制的彼此访问，包括访问彼此的构造函数、字段、方法等。即使是private私有的，也可以彼此访问。比如下面这样定义：

public class Outer {
    private int i;

    public void print1() {
        print11();
        print12();
    }

    private void print11() {
        System.out.println(i);
    }

    private void print12() {
        System.out.println(i);
    }

    public void callInnerMethod() {
        final Inner inner = new Inner();
        inner.print4();
        inner.print5();
        System.out.println(inner.j);
    }

    public class Inner {
        private int j;

        public void print3() {
            System.out.println(i);
            print1();
        }

        public void print4() {
            System.out.println(i);
            print11();
            print12();
        }

        private void print5() {
            System.out.println(i);
            print11();
            print12();
        }
    }
}

上例中，Outer类中的字段i、方法print11和print12都是私有的，但是可以在Inner类中直接访问，Inner类的字段j、方法print5是私有的，也可以在Outer类中使用。这种设计是为了更好的封装，在用户看来，这几个彼此嵌套的类/接口是一体的，分开定义是为了更好的封装自己，隔离不同特性，但是有因为彼此是一体，所以私有元素也应该是共有的。

Java11 之前的实现方式

我们使用 Java8 编译，然后借助javap -c命令分别查看Outer和Inner的结果。

$ javap -c Outer.class      
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer {
  public cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #4                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public void print1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #2                  // Method print11:()V
       4: aload_0
       5: invokespecial #1                  // Method print12:()V
       8: return

  public void callInnerMethod();
    Code:
       0: new           #7                  // class cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner
       3: dup
       4: aload_0
       5: invokespecial #8                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner."<init>":(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
       8: astore_1
       9: aload_1
      10: invokevirtual #9                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.print4:()V
      13: aload_1
      14: invokestatic  #10                 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.access$000:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner;)V
      17: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      20: aload_1
      21: invokestatic  #11                 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner.access$100:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer$Inner;)I
      24: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      27: return

  static int access$200(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #3                  // Field i:I
       4: ireturn

  static void access$300(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #2                  // Method print11:()V
       4: return

  static void access$400(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method print12:()V
       4: return
}

再来看看Inner的编译结果，这里需要注意的是，内部类会使用特殊的命名方式定义Inner类，最终会将编译结果存储在两个文件中：

$ javap -c Outer\$Inner.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner {
  final cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer this$0;

  public cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
       5: aload_0
       6: invokespecial #4                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       9: return

  public void print3();
    Code:
       0: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
       7: invokestatic  #6                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$200:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)I
      10: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      13: aload_0
      14: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
      17: invokevirtual #8                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.print1:()V
      20: return

  public void print4();
    Code:
       0: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
       7: invokestatic  #6                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$200:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)I
      10: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      13: aload_0
      14: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
      17: invokestatic  #9                  // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$300:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
      20: aload_0
      21: getfield      #3                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;
      24: invokestatic  #10                 // Method cn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer.access$400:(Lcn/howardliu/tutorials/java8/nest/Outer;)V
      27: return

  static void access$000(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner);
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #2                  // Method print5:()V
       4: return

  static int access$100(cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner);
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #1                  // Field j:I
       4: ireturn
}

我们可以看到，Outer和Inner中多出了几个方法，方法名格式是access$*00。

Outer中的access$200方法返回了属性i，access$300和access$400分别调用了print11和print12方法。这些新增的方法都是静态方法，作用域是默认作用域，即包内可用。这些方法最终被Inner类中的print3和print4调用，相当于间接调用Outer中的私有属性或方法。

我们称这些生成的方法为“桥”方法（Bridge Method），是一种实现嵌套关系内部互相访问的方式。

在编译的时候，Java 为了保持类的单一特性，会将嵌套类编译到多个 class 文件中，同时为了保证嵌套类能够彼此访问，自动创建了调用私有方法的“桥”方法，这样，在保持原有定义不变的情况下，又实现了嵌套语法。

技术债务

“桥”方法的实现是比较巧妙的，但是这会造成源码与编译结果访问控制权限不一致，比如，我们可以在Inner中调用Outer中的私有方法，按照道理来说，我们可以在Inner中通过反射调用Outer的方法，但实际上不行，会抛出IllegalAccessException异常。我们验证一下：

public class Outer {
    // 省略其他方法
    public void callInnerReflectionMethod()
            throws InvocationTargetException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException {
        final Inner inner = new Inner();
        inner.callOuterPrivateMethod(this);
    }

    public class Inner {
        // 省略其他方法
        public void callOuterPrivateMethod(Outer outer)
                throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
            final Method method = outer.getClass().getDeclaredMethod("print12");
            method.invoke(outer);
        }
    }
}

定义测试用例：

@Test
void gotAnExceptionInJava8() {
    final Outer outer = new Outer();

    final Exception e = assertThrows(IllegalAccessException.class, outer::callInnerReflectionMethod);
    e.printStackTrace();

    assertDoesNotThrow(outer::callInnerMethod);
}

打印的异常信息是：

java.lang.IllegalAccessException: class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner cannot access a member of class cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer with modifiers "private"
    at java.base/jdk.internal.reflect.Reflection.newIllegalAccessException(Reflection.java:361)
    at java.base/java.lang.reflect.AccessibleObject.checkAccess(AccessibleObject.java:591)
    at java.base/java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:558)
    at cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer$Inner.callOuterPrivateMethod(Outer.java:62)
    at cn.howardliu.tutorials.java8.nest.Outer.callInnerReflectionMethod(Outer.java:36)

通过反射直接调用私有方法会失败，但是可以直接的或者通过反射访问这些“桥”方法，这样就比较奇怪了。所以提出 JEP181 改进，修复这个技术债务的同时，为后续的改进铺路。

Java11 中的实现

我们再来看看 Java11 编译之后的结果：

$ javap -c Outer.class      
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer {
  public cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public void print1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokevirtual #2                  // Method print11:()V
       4: aload_0
       5: invokevirtual #3                  // Method print12:()V
       8: return

  public void callInnerMethod();
    Code:
       0: new           #7                  // class cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner
       3: dup
       4: aload_0
       5: invokespecial #8                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner."<init>":(Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;)V
       8: astore_1
       9: aload_1
      10: invokevirtual #9                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.print4:()V
      13: aload_1
      14: invokevirtual #10                 // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.print5:()V
      17: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      20: aload_1
      21: getfield      #11                 // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer$Inner.j:I
      24: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      27: return
}

是不是很干净，与Outer类的源码结构是一致的。我们再看看Inner有没有什么变化：

$ javap -c Outer\$Inner.class
Compiled from "Outer.java"
public class cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner {
  final cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer this$0;

  public cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner(cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer);
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
       5: aload_0
       6: invokespecial #2                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       9: return

  public void print3();
    Code:
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
       7: getfield      #4                  // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.i:I
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      13: aload_0
      14: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
      17: invokevirtual #6                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print1:()V
      20: return

  public void print4();
    Code:
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: aload_0
       4: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
       7: getfield      #4                  // Field cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.i:I
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      13: aload_0
      14: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
      17: invokevirtual #7                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print11:()V
      20: aload_0
      21: getfield      #1                  // Field this$0:Lcn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer;
      24: invokevirtual #8                  // Method cn/howardliu/tutorials/java11/nest/Outer.print12:()V
      27: return
}

同样干净。

我们在通过测试用例验证一下反射调用：

@Test
void doesNotGotAnExceptionInJava11() {
    final Outer outer = new Outer();

    assertDoesNotThrow(outer::callInnerReflectionMethod);
    assertDoesNotThrow(outer::callInnerMethod);
}

结果是正常运行。

这就是 JEP181 期望的结果，源码和编译结果一致，访问控制一致。

Nestmate 新增的 API

在 Java11 中还新增了几个 API，用于嵌套关系的验证：

getNestHost

这个方法是返回嵌套主机（NestHost），转成普通话就是找到嵌套类的外层类。对于非嵌套类，直接返回自身（其实也算是返回外层类）。

我们看下用法：

@Test
void checkNestHostName() {
    final String outerNestHostName = Outer.class.getNestHost().getName();
    assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer", outerNestHostName);

    final String innerNestHostName = Inner.class.getNestHost().getName();
    assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer", innerNestHostName);

    assertEquals(outerNestHostName, innerNestHostName);

    final String notNestClass = NotNestClass.class.getNestHost().getName();
    assertEquals("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.NotNestClass", notNestClass);
}

对于Outer和Inner都是返回了cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer。

getNestMembers

这个方法是返回嵌套类的嵌套成员数组，下标是 0 的元素确定是 NestHost 对应的类，其他元素顺序没有给出排序规则。我们看下使用：

@Test
void getNestMembers() {
    final List<String> outerNestMembers = Arrays.stream(Outer.class.getNestMembers())
            .map(Class::getName)
            .collect(Collectors.toList());

    assertEquals(2, outerNestMembers.size());
    assertTrue(outerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer"));
    assertTrue(outerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner"));

    final List<String> innerNestMembers = Arrays.stream(Inner.class.getNestMembers())
            .map(Class::getName)
            .collect(Collectors.toList());

    assertEquals(2, innerNestMembers.size());
    assertTrue(innerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer"));
    assertTrue(innerNestMembers.contains("cn.howardliu.tutorials.java11.nest.Outer$Inner"));
}

isNestmateOf

这个方法是用于判断两个类是否是彼此的 NestMate，彼此形成嵌套关系。判断依据还是嵌套主机，只要相同，两个就是 NestMate。我们看下使用：

@Test
void checkIsNestmateOf() {
    assertTrue(Inner.class.isNestmateOf(Outer.class));
    assertTrue(Outer.class.isNestmateOf(Inner.class));
}

后续的改进

嵌套关系是作为 Valhalla 项目的一部分，这个项目的主要目标之一是改进 JAVA 中的值类型和泛型。后续会有更多的改进：

• 在泛型特化（generic specialization）中，每个特化类型（specialized type）可被创建为泛型的一个 Nestmate。
• 支持对Unsafe.defineAnonymousClass() API 的安全替换，实现将新类创建为已有类的 Nestmate。
• 可能会影响“密封类”（sealed classes），仅允许 Nestmate 的子类作为密封类。
• 可能会影响私有嵌套类型。私有嵌套类型当前定义为包内可访问（package-access）。

文末总结

本文阐述了基于嵌套关系的访问控制优化，其中涉及NestMate、NestHost、NestMember等概念。这次优化是 Valhalla 项目中一部分，主要改进 Java 中的值类型和泛型等。文中涉及源码都上传在 GitHub 上，关注公号「看山的小屋」回复“java”获取源码。

青山不改，绿水长流，咱们下次见。

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