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Javaのバイトコードで遊ぶ (ラムダ式)

Java

Javaのバイトコードで遊ぶ (Hello World)

以下のメソッドのカリー化を例にバイトコードラムダ式を作ってみます。

int add(int a, int b, int c);

ラムダ式の生成にはinvokedynamicと、そのブートストラップにLambdaMetafactory.metafactoryを用います。 metafactoryがFunctionalインターフェースの実装クラスを動的に生成すると理解していますが正しく説明できる自信はありません。 むしろこの記事はサンプルコードの備忘録です。。

過去に説明を試みたことはありますけど… ラムダとinvokedynamic

さらっとやっていることを。まず上記のメソッドを以下の3つに分解することを考えます。

IntFunction<IntFunction<IntUnaryOperator>> add$0(){
  return a -> add$1(a);
}

IntFunction<IntUnaryOperator> add$1(int a){
  return b -> add$2(a, b);
}

IntUnaryOperator add$2(int a, int b){
  return c -> add(a, b, c);
}

それぞれのラムダ式の部分にinvokedynamicを用います。 実行時、metafactoryは(多分)それぞれに対応する以下のようなクラスを生成しますので、これを念頭にvisitInvokeDynamicInsnの引数を設定します。

class Add$0 implements IntFunction<IntFunction<IntUnaryOperator>> {
  public IntFunction apply(int a){
    return add$1(a);
  }
}

class Add$1 implements IntFunction<IntUnaryOperator> {
  // クロージャの環境をキャプチャ
  private int a;
  public Add$1(int a){ this.a = a; }
  public IntUnaryOperator apply(int b){
    return add$2(a, b);
  }
}

class Add$2 implements IntUnaryOperator {
  // クロージャの環境をキャプチャ
  private int a;
  private int b;
  public Add$2(int a, int b){ this.a = a; this.b = b; }
  public int applyAsInt(int c){
    return add(a, b, c);
  }
}

前述の分解された3つのメソッドの中身のinvokedynamicの部分は実際には以下のようなコードとして動作します。と解釈しています。

IntFunction<IntFunction<IntUnaryOperator>> add$0(){
  return new Add$0();
}

IntFunction<IntUnaryOperator> add$1(int a){
  return new Add$1(a);
}

IntUnaryOperator add$2(int a, int b){
  return new Add$2(a, b);
}

呼び出し元のコードはこのようになります。

add$0().apply(10).apply(20).applyAsInt(30);

サンプルのコードです。

package example;

import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.Handle;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;
import org.objectweb.asm.Type;

public class Lambda implements Opcodes {
  private static byte[] generate(String className) {
    ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
    MethodVisitor mv;

    cw.visit(V1_8, ACC_PUBLIC + ACC_SUPER, className, null, "java/lang/Object",
        null);

    // constructor
    mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null);
    mv.visitCode();
    mv.visitVarInsn(ALOAD, 0);
    mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V",
        false);
    mv.visitInsn(RETURN);
    mv.visitMaxs(1, 1);
    mv.visitEnd();

    // int add(int a, int b, int c) { return a + b + c; }
    mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC, "add", "(III)I", null, null);
    mv.visitCode();
    mv.visitVarInsn(ILOAD, 0);
    mv.visitVarInsn(ILOAD, 1);
    mv.visitInsn(IADD);
    mv.visitVarInsn(ILOAD, 2);
    mv.visitInsn(IADD);
    mv.visitInsn(IRETURN);
    mv.visitMaxs(2, 3);
    mv.visitEnd();

    // metafactory
    Handle metafactoryHandle = new Handle(H_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;");

    // add$0() { return a -> add$1(a); }
    mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC, "add$0",
        "()Ljava/util/function/IntFunction;", null, null);
    mv.visitCode();
    // -- function objectの生成
    mv.visitInvokeDynamicInsn(
        // function objectが実装するメソッドの名前
        "apply",
        // CallSiteのシグニチャ
        // 引数の型はキャプチャされる値の型
        // 戻り値の型はfunction objectが実装するインターフェース
        "()Ljava/util/function/IntFunction;",
        // LambdaMetafactory.metafactoryのハンドル
        metafactoryHandle,
        // function objectが実装するメソッドの型
        Type.getType("(I)Ljava/lang/Object;"),
        // function objectのメソッド実行時にコールされるべきメソッドのハンドル
        // 引数はキャプチャされた値とfunction object実行時に渡されたものが使われる
        new Handle(H_INVOKESTATIC, className, "add$1",
            "(I)Ljava/util/function/IntFunction;"),
        // function objectが実装するメソッドの具体化された型
        Type.getType("(I)Ljava/util/function/IntFunction;"));
    mv.visitInsn(ARETURN);
    mv.visitMaxs(1, 0);
    mv.visitEnd();

    // add$1(int a) { return b -> add$2(a); }
    mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC, "add$1",
        "(I)Ljava/util/function/IntFunction;", null, null);
    mv.visitCode();
    mv.visitVarInsn(ILOAD, 0); // function objectにキャプチャされる
    // -- function objectの生成
    mv.visitInvokeDynamicInsn(
        // function objectが実装するメソッドの名前
        "apply",
        // CallSiteのシグニチャ
        // 引数の型はfunction objectにキャプチャされる値の型
        // 戻り値の型はfunction objectが実装するインターフェース
        "(I)Ljava/util/function/IntFunction;",
        // LambdaMetafactory.metafactoryのハンドル
        metafactoryHandle,
        // function objectが実装するメソッドの型
        Type.getType("(I)Ljava/lang/Object;"),
        // function objectのメソッド実行時にコールされるべきメソッドのハンドル
        // 引数はキャプチャされた値とfunction object実行時に渡されたものが使われる
        new Handle(H_INVOKESTATIC, className, "add$2",
            "(II)Ljava/util/function/IntUnaryOperator;"),
        // function objectが実装するメソッドの具体化された型
        Type.getType("(I)Ljava/util/function/IntUnaryOperator;"));
    mv.visitInsn(ARETURN);
    mv.visitMaxs(1, 1);
    mv.visitEnd();

    // add$2(int a, int b) { return c -> add(a, b, c); }
    mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC, "add$2",
        "(II)Ljava/util/function/IntUnaryOperator;", null, null);
    mv.visitCode();
    mv.visitVarInsn(ILOAD, 0); // function objectにキャプチャされる
    mv.visitVarInsn(ILOAD, 1); // function objectにキャプチャされる
    // -- function objectの生成
    mv.visitInvokeDynamicInsn(
        // function objectが実装するメソッドの名前
        "applyAsInt",
        // CallSiteのシグニチャ
        // 引数の型はfunction objectにキャプチャされる値の型
        // 戻り値の型はfunction objectが実装するインターフェース
        "(II)Ljava/util/function/IntUnaryOperator;",
        // LambdaMetafactory.metafactoryのハンドル
        metafactoryHandle,
        // function objectが実装するメソッドの型
        Type.getType("(I)I"),
        // function objectのメソッド実行時にコールされるべきメソッドのハンドル
        // 引数はキャプチャされた値とfunction object実行時に渡されたものが使われる
        new Handle(H_INVOKESTATIC, className, "add", "(III)I"),
        // function objectが実装するメソッドの具体化された型
        Type.getType("(I)I"));
    mv.visitInsn(ARETURN);
    mv.visitMaxs(2, 2);
    mv.visitEnd();

    // main
    mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC, "main",
        "([Ljava/lang/String;)V", null, null);
    mv.visitCode();
    // -- System.out.prinln(add$0().apply(10).apply(20).applyAsInt(30))
    mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out",
        "Ljava/io/PrintStream;");
    // ---- add$0()
    mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, className, "add$0",
        "()Ljava/util/function/IntFunction;", false);
    // ---- .apply(10) -> checkcast (IntFunction)
    mv.visitIntInsn(BIPUSH, 10);
    mv.visitMethodInsn(INVOKEINTERFACE, "java/util/function/IntFunction",
        "apply", "(I)Ljava/lang/Object;", true);
    mv.visitTypeInsn(CHECKCAST, "java/util/function/IntFunction");
    // ---- .apply(20) -> checkcast (IntUnaryOperator)
    mv.visitIntInsn(BIPUSH, 20);
    mv.visitMethodInsn(INVOKEINTERFACE, "java/util/function/IntFunction",
        "apply", "(I)Ljava/lang/Object;", true);
    mv.visitTypeInsn(CHECKCAST, "java/util/function/IntUnaryOperator");
    // ---- .applyAsInt(30)
    mv.visitIntInsn(BIPUSH, 30);
    mv.visitMethodInsn(INVOKEINTERFACE, "java/util/function/IntUnaryOperator",
        "applyAsInt", "(I)I", true);
    // ---- .println()
    mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(I)V",
        false);
    mv.visitInsn(RETURN);
    mv.visitMaxs(3, 1);
    mv.visitEnd();

    cw.visitEnd();

    return cw.toByteArray();
  }

  public static void main(String... args) throws Exception {
    String className = "Lambda";
    byte[] bytes = generate(className);
    ExampleUtil.execMain(className, bytes);
    ExampleUtil.write(className, bytes);
  }
}