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![ラムダのクラスの名前
• まずはラムダのクラスの名前を確認します
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$ cat >Lambda.java
import java.util.*;
public class Lambda {
public static void main(String[] args) {
Comparator<String> c = (x, y) -> x.length() - y.length();
System.out.println(c.getClass());
}
}
$ javac Lambda.java && java Lambda
class Lambda$$Lambda$1](https://image.slidesharecdn.com/lambdameetsinvokedynamic-130722045429-phpapp01/75/invokedynamic-12-2048.jpg)
![シングルトンインスタンス: 確認
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$ cat >Lambda.java
import java.util.*;
public class Lambda {
static Comparator<String> comparator() {
return (x, y) -> x.length() - y.length();
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(comparator());
System.out.println(comparator());
System.out.println(comparator());
}
}
$ javac Lambda.java && java Lambda
Lambda$$Lambda$1@84aee7
Lambda$$Lambda$1@84aee7
Lambda$$Lambda$1@84aee7](https://image.slidesharecdn.com/lambdameetsinvokedynamic-130722045429-phpapp01/75/invokedynamic-42-2048.jpg)
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ラムダと invokedynamic の蜜月
- 1. ラムダと invokedynamic の蜜月 宮川拓 / @miyakawa_taku 2013-07-22 JJUG ナイトセミナー
- 2. 自己紹介 • 宮川 拓(@miyakawa_taku) と申します • SI 屋です • JJUG 幹事です • Kink という JVM 言語を開発しています – https://bitbucket.org/kink/kink 1
- 3. 要旨 • ラムダ式の実行は invokedynamicで実現さ れます。その理由と、実行の流れを見ます – 論点整理 – ラムダ式の実行 (1) – invokedynamic の復習 – ラムダ式の実行 (2) – なぜ invokedynamic? – ラムダの直列化 2 ※注記 この資料は、 JDK, JRE の「仕様」と「実装」を厳密に区別していません。
- 4.
- 5. 静的構造 4 関数型インタフェース ラムダのクラス ラムダのインスタンス instance-of implements Comparable Comparable<String> c =(x, y) -> x.length() - y.length(); c c のクラス
- 6. 実行の流れ 5 Comparable<String> c =(x, y) -> x.length() - y.length(); Collections.sort(strings, c); main Collections ラムダ sort compare / 処理の中身の実行 new / ラムダ式の実行 今回の主な論点
- 7.
- 8.
- 9. 匿名クラスをコンパイル • 匿名クラスは、「外側のクラス名$連番」という 名前で、コンパイラによって生成されます 8 $ cat>AnonClass.java import java.util.*; class AnonClass { Comparator<String> comparator() { return new Comparator<String> { @Override public int compare(String x, String y) { return x.length() – y.length(); } }; } } $ javac AnonClass.java && ls *.class AnonClass$1.class AnonClass.class
- 10. ラムダをコンパイル • 同等のラムダをコンパイルしても、対応するク ラスファイルは生成されません 9 $ cat>Lambda.java import java.util.*; class Lambda { Comparator<String> comparator() { return (x, y) -> x.length() - y.length(); } } $ javac Lambda.java && ls *.class Lambda.class
- 11. ラムダのクラスの生成タイミング • ラムダのクラスが、コンパイル時には生成され ないことが分かりました • したがって、実行時のどこかのタイミングで生 成されているはずです 10 ラムダを含む ソース クラス ファイル ラムダの クラスの生成 ラムダの インスタンス化 コンパイル(JDK) 実行 (JVM) この時点では ラムダのクラスは 生成されない どこかの タイミング
- 12. ラムダのクラスの名前 • まずはラムダのクラスの名前を確認します 11 $ cat>Lambda.java import java.util.*; public class Lambda { public static void main(String[] args) { Comparator<String> c = (x, y) -> x.length() - y.length(); System.out.println(c.getClass()); } } $ javac Lambda.java && java Lambda class Lambda$$Lambda$1
- 13. 生成のタイミング • loadClass(name) すると、ラムダ式を実行する タイミングでラムダのクラスが出現しているこ とが分かります 12 $cat >Lambda.java ... System.out.println(loadClassOrNull("Lambda$$Lambda$1")); Comparator<String> c = (x, y) -> x.length() - y.length(); System.out.println(loadClassOrNull("Lambda$$Lambda$1")); ... $ javac Lambda.java && java Lambda null class Lambda$$Lambda$1
- 14.
- 15. ラムダ式のバイトコード • ラムダ式を含むプログラムのクラスファイルを、 javap コマンドで逆アセンブルします 14 $cat >Lambda.java import java.util.function.*; class Lambda { IntUnaryOperator adder(int delta) { return n -> n + delta; } } $ javap -c -p Lambda.class ... (次ページ) ...
- 16. javap による逆アセンブルの結果 15 class Lambda{ ... java.util.function.IntUnaryOperator adder(int); Code: 0: iload_1 1: invokedynamic #2, 0 6: areturn private static int lambda$0(int, int); Code: 0: iload_1 1: iload_0 2: iadd 3: ireturn }
- 17. 再度 Java プログラム風に解釈 •ラムダの処理の中身は lambda$0 というメ ソッドに記述されます • ラムダ式の実行は invokedynamic 命令の呼 び出しになっています 16 class Lambda { IntUnaryOperator adder(int delta) { return <invokedynamic>(delta); } private static int lambda$0(int delta, int n) { return n + delta; } }
- 18. ここまでの整理 • 分かったこと – ラムダのクラスはラムダ式実行の際に生成されま す –ラムダ式の実行は invokedynamic 命令です • 推定できること – invokedynamic 命令をきっかけとして、ラムダの クラスが生成され、またラムダのインスタンスが生 成されるはずです 17
- 19.
- 20. invokedynamic の復習 • ラムダ式実行の流れを追いかけるにあたり、 まずはinvokedynamic をおさらいします 19
- 21. invokedynamic とは • 本来は、JRuby など、 Java 以外の言語処理 系のために、 Java SE 7 で追加されたメソッド 呼び出し命令です • invokevirtual, invokeinterface など、 Java SE 6 までのメソッド呼び出し命令と異なり、呼び 出す処理が実行時に選択できます 20
- 22. Java のメソッド呼び出し手順 • どの呼び出し命令でも、手順は大体同じです 21 intresult = receiver.doSomething(arg0, arg1); receiver arg0 receiver arg1 arg0 receiver 戻り値 invokexxx レシーバと引数をスタックに積む 呼び出し 結果も スタックに void 以外の場合
- 23. Java SE 6までの呼び出し命令 • Java SE 6 までの呼び出し命令は、いずれも Java 言語と密に結びついてます – メソッドは再定義されない – 名前、引数の型、レシーバのクラスが決まれば、呼 び出すべき処理が定まる 22 invokestatic static メソッドを呼び出す invokespecial コンストラクタ、 private メソッド等を呼び出す invokevirtual クラスに属するメソッドを呼び出す invokeinterface インタフェースに属するメソッドを呼び出す
- 24. Java 以外の言語処理系の実装 ―Java SE6 以前 • Java 言語にない機構（メソッド再定義など）を 実現するため、処理系が呼び出しに介入 →JVM による実行時最適化が効きづらい 23 array.join invoke virtual 処理系 size Func@42 join Func@123 検索 def join ... invoke virtual 関数テーブル
- 25. Java 以外の言語処理系の実装 ―Java SE7 以降 • invokedynamic を使って、処理系を介さずに、 直接メソッドが呼び出せるようになりました →JVM による実行時最適化が効きやすい！ 24 array.join invokedynamic def join ...
- 26. invokedynamic の道具立て • 呼び出し元(CallSite) ごとに、ブートストラップ メソッドで、呼び出し先の関数ポインタ (MethodHandle) を登録 25 Method Handle オブジェクト CallSite オブジェクト ブートストラップ メソッド <<create>> 初回呼び出しの前に 実行 対象の 処理 呼び出し元 <<create>> 呼び出し
- 27. ブートストラップメソッド • static である必要がある •ブートストラップメソッドの引数 – Lookup: MethodHandle のファクトリ – String: 「メソッド名」だが、使わなくても可 – MethodType: invokedynamic の引数型と戻り値型 – 任意個数の定数 • ブートストラップメソッドの戻り値 – MethodHandle の初期値が紐付けられた CallSite 26
- 28. ブートストラップメソッドの例 • メソッドを呼び出した後、強制的に戻り値を 42 にするMethodHandle を生成 27 static CallSite bsm(Lookup lu, String name, MethodType mt) throws Exception { MethodHandle vmh = lu.findVirtual(mt.parameterType(0), name, vmt); return new ConstantCallSite(filterReturnValue(vmh, dropArguments(constant(int.class, 42), 0, int.class))); } • 以上のように、個々の invokedynamic の動作は、 ブートストラップメソッドを見れば見当が付きます
- 29.
- 30. ラムダ式の invokedynamic • 先ほど見たところでは、ラムダ式の実行は、 invokedynamic命令の実行として実装され ていました →紐付けられているブートストラップメソッドを見 れば、実際の動作がわかるはずです 29
- 31. ラムダ式の実行の流れ • ラムダ式の実行の invokedynamicには、 java.lang.invoke.LambdaMetaFactory の metaFactory メソッドがブートストラップメソッ ドとして紐付いています 30 invoke dynamic <<ブートストラップ>> LambdaMetaFactory #metaFactory ラムダの インスタンス化 2 回目以降の 実行 1. ラムダのクラスを生成 2. ラムダをインスタンス化する MethodHandle を生成
- 32. LambdaMetaFactory #metaFactory 31 CallSite metafactory(Lookup lookup,// MethodHandle のファクトリ String name, // 関数型インタフェースの唯一の抽象メソッド (SAM) の名前 (例: compare) MethodType invokedType, // 命令の引数・戻り値型 MethodType samMethod, // SAM の引数・戻り値型 MethodHandle implMethod, // 処理本体のメソッド (例: lambda$0) MethodType instantiatedSamType) // 型パラメータ適用後の SAM の引数・戻り値型 シグネチャ 1. これらの情報を元にラムダのクラスを生成 • 引数をフィールドに格納するコンストラクタ • 処理本体のメソッドを呼び出す SAM の実装 2. ラムダをインスタンス化する MethodHandle を生成、 CallSite に紐付け
- 33. 最終的に実行される処理 32 class Lambda { staticclass Lambda$1 implements IntUnaryOperator { private final int delta; Lambda$1(int delta) { this.delta = delta; } @Override public int applyAsInt(int n) { return lambda$0(this.delta, n); } } IntUnaryOperator adder(int delta) { return <invokedynamic: new Lambda$1(delta)>; } private static int lambda$0(int delta, int n) { return n + delta; } } metaFactory が生成 → 結局、やってることは匿名クラスと（ほぼ）同じ！
- 34.
- 35. なぜ invokedynamic? • invokedynamicによるラムダ式の実行は、動 作としては匿名クラスと似たようなものでした • なぜ、わざわざ invokedynamic を使うので しょうか？ →(1) クラスファイルが少なくなるおかげで、起動が 速くなる、かもしれません →(2) JVM が LambdaMetaFactory を独自に実装 することで、最適なインスタンス生成の方法を選 択できるようになります 34
- 36. (1) 起動時間 • JavaSE 8 では、 Streams API の採用によって、 プログラム中で全面的にラムダ式が利用され ることが想定されています（実態はどうあれ！） • その際、ラムダ式を匿名クラス方式で実装す ると、クラスファイルの数が飛躍的に増えるた め、クラスローディングが遅くなってしまいます • invokedynamic で、クラスを実行時に生成す れば、起動時間が抑えられる、かもしれません 35
- 37. 匿名クラスとラムダ式の起動時間比較 • 5,000 個の匿名クラス/ラムダをインスタンス 化するプログラムを実行（各10回） 36 平均 2,041ms 2,375ms CPU:Core i3-2120T (2.6 GHz) OS: Arch Linux, カーネル: 3.9.9-1-ARCH JVM: JDK-8 build b99 (64-bit)
- 38. 匿名クラス＜ラムダ式 の考察 • 匿名クラスの実行時間増加要因 A)I/O B) jar の解凍 • ラムダ式の実行時間増加要因 C) ブートストラップメソッド呼び出し（それにともな う MethodHandle 作成など） D) バイトコード生成 37 A+B < C+D となった？
- 39. (2) インスタンス生成戦略の選択 • LambdaMetaFactoryは JVM が提供する API です。したがって、実行時に JVM に都合 のよい方法でインスタンスが生成できます • 可能な選択肢: – 1 つのラムダ式ごとに 1 つのクラスを生成（既述） – 外部の値を参照しないラムダ式であれば、シング ルトンインスタンスを戻す（後述） 38
- 40. シングルトンインスタンス • 次のラムダ式は、外側の変数に依存していな いため、何度実行しても、同じ働きのインスタ ンスを戻します →この場合、シングルトンインスタンスを毎回使 い回せばいいはずです 39 Comparator<String> comparator(){ return (x, y) -> x.length() - y.length(); }
- 41. シングルトンインスタンス: 実行の流れ • ラムダの処理の本体が、外側の変数に依存し ていない場合、ラムダ式はシングルトンインス タンスを戻します 40 invoke dynamic <<ブートストラップ>> LambdaMetaFactory #metaFactory シングルトン インスタンス 2回目以降の 実行 1. ラムダのクラスを生成 2. ラムダのシングルトンインスタンスを生成 3. シングルトンインスタンスを戻す MethodHandle を生成
- 42. シングルトンインスタンス: 確認 41 $ cat>Lambda.java import java.util.*; public class Lambda { static Comparator<String> comparator() { return (x, y) -> x.length() - y.length(); } public static void main(String[] args) { System.out.println(comparator()); System.out.println(comparator()); System.out.println(comparator()); } } $ javac Lambda.java && java Lambda Lambda$$Lambda$1@84aee7 Lambda$$Lambda$1@84aee7 Lambda$$Lambda$1@84aee7
- 43. その他の可能なインスタンス生成戦略 • 1 つの関数型インタフェースごとに1 つのクラ スを生成。リフレクション経由で処理本体を呼 び出し • MethodHandle を関数型インタフェースに直 接ラップする機構を用意して、それを使う 42
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- 45. ラムダの直列化 • 関数型インタフェースが Serializableを拡張 している場合、ラムダのインスタンスは直列化 できる必要があります – 直列化（ラムダ→バイト列）、非直列化（バイト列→ ラムダ）した時、元のラムダと同じように機能する 必要がある • ラムダのクラスが実行時に生成される時、どう したら直列化・非直列化できるのでしょうか？ → writeReplace / readResolve を使う 44
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- 48.
- 49. 総括 • ラムダ式は匿名クラスの単純な構文糖ではあ りません。 invokedynamic命令を使って、クラ スを実行時に生成しています • これにより、 JVM がラムダのインスタンスの生 成方法を選べるので、実行時最適化の余地 が大きくなります 48
- 50.
- 51. 参考文献 • Java SE8 API Specification – http://download.java.net/jdk8/docs/api/overview-summary.html • JSR-335 – http://jcp.org/en/jsr/detail?id=335 • Brian Goetz “From Lambdas to Bytecode” – http://wiki.jvmlangsummit.com/images/1/1e/2011_Goetz_Lambd a.pdf • 宮川 拓「Lambda 式に invokedynamic を使うのかもしれな い話」 – http://d.hatena.ne.jp/miyakawa_taku/20120728/1343478485 50