?譯者 | 李睿

審校 | 孫淑娟?

在Java中，除了int這樣的原語之外，所有的事物都是對象。事實(shí)證明，這一設(shè)置對Java產(chǎn)生了巨大的影響，這些年來，這種影響越來越大。這個(gè)看似微不足道的設(shè)計(jì)決策會(huì)在集合和泛型等關(guān)鍵領(lǐng)域引起問題。它還限制了某些性能優(yōu)化。Java語言重構(gòu)項(xiàng)目Valhalla旨在糾正這些問題。Valhalla項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Brian Goetz表示，Valhalla將“彌合原語類和對象之間的裂痕”。?

可以說，Valhalla項(xiàng)目是一次史詩級的重構(gòu)，旨在解決自Java誕生以來一直隱藏在平臺(tái)中的技術(shù)債務(wù)。這種徹底的進(jìn)化證明了Java不僅是經(jīng)典，而且仍然處于編程語言設(shè)計(jì)的前沿。以下了解Valhalla項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)組件，以及為什么它們對Java的未來如此重要。 ?

Java中的性能問題 ?

當(dāng)Java在上世紀(jì)90年代首次引入時(shí)，決定所有用戶創(chuàng)建的類型都是類。只有少數(shù)原語類被當(dāng)作特殊類型。它們不是作為基于指針的類結(jié)構(gòu)處理的，而是直接映射到操作系統(tǒng)類型。8種原語類型是int、byte、short、long、float、double、boolean和char。?

直接將這些變量映射到操作系統(tǒng)對性能來說更好，因?yàn)閿?shù)值操作在去掉對象的引用開銷時(shí)性能更好。而且，所有數(shù)據(jù)最終在程序中都解析為這8種基本類型。類只是一種結(jié)構(gòu)和組織層，它提供了更強(qiáng)大的處理基本類型的方法。另一種結(jié)構(gòu)是數(shù)組。原語、類和數(shù)組構(gòu)成了Java表達(dá)能力的全部范圍。 ?

但是原語是與類和數(shù)組不同的，程序員已經(jīng)學(xué)會(huì)了直觀地處理這些差異。例如，原語是按值傳遞，而對象是按引用傳遞。其中的原因相當(dāng)深刻，這歸結(jié)為身份的問題。可以說，原語值是可替換的：intx=4是整數(shù)4，無論它出現(xiàn)在哪里。可以在equals()vs==中看到這種區(qū)別，前者測試對象的值等價(jià)性，后者測試對象的同一性。如果兩個(gè)引用在內(nèi)存中共享相同的空間，它們滿足==，這意味著它們是同一個(gè)對象。任何設(shè)置為4的int類型也滿足==，而int類型根本不支持.equals()。 ?

Java虛擬機(jī)(JVM)可以利用處理原語的方式來優(yōu)化存儲(chǔ)、檢索和操作原語的方式。特別是，如果平臺(tái)確定一個(gè)變量沒有改變(也就是說，它是常數(shù)或不可變的)，那么就可以對其進(jìn)行優(yōu)化。 ?

相比之下，對象則不適合這種優(yōu)化，因?yàn)樗鼈冇幸粋€(gè)身份。作為類的實(shí)例，對象所保存的數(shù)據(jù)既可以是原語，也可以是其他類。對象本身用一個(gè)指針句柄來尋址。這就創(chuàng)建了一個(gè)引用網(wǎng)絡(luò)：對象圖。每當(dāng)某個(gè)值被更改時(shí)(或者即使它可能被更改)，JVM都必須維護(hù)對象的最終記錄以供參考。需要引用對象是一些性能優(yōu)化的障礙。?

性能上的困難還不止于此。對象作為引用桶的特性意味著它們以一種非常松散的方式存在于內(nèi)存中。Fluffy是一個(gè)技術(shù)術(shù)語，用來描述JVM無法壓縮對象以最小化其內(nèi)存占用這一事實(shí)。當(dāng)一個(gè)對象有對另一個(gè)對象的引用作為其組成的一部分時(shí)，JVM被迫維護(hù)該指針關(guān)系。(在某些情況下，巧妙的優(yōu)化可以幫助確定嵌套引用是特定實(shí)體的唯一句柄。) ?

在他撰寫的一篇博客文章中，Goetz使用了一系列點(diǎn)來說明引用的非密集性，可以使用類。假設(shè)有一個(gè)Landmark類，它有一個(gè)名稱和一個(gè)地理位置字段。這意味著一個(gè)像圖1所示的內(nèi)存結(jié)構(gòu)： ?

圖1 Java對象的“蓬松”內(nèi)存占用

想要實(shí)現(xiàn)的是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候保存對象的能力，如圖2所示：?

圖2. 內(nèi)存中密集的對象?

這就是早期設(shè)計(jì)決策對Java平臺(tái)的性能挑戰(zhàn)的概述。以下考慮這些決策如何在三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域影響性能。 ?

問題1：方法調(diào)用和傳遞值 ?

內(nèi)存中對象的默認(rèn)結(jié)構(gòu)對于內(nèi)存和緩存來說都是低效的。此外，還有機(jī)會(huì)在方法調(diào)用約定方面取得進(jìn)展。能夠?qū)粗嫡{(diào)用參數(shù)傳遞給具有類語法的方法(在適當(dāng)?shù)那闆r下)將帶來更高性能和好處。?

問題2：箱子和自動(dòng)裝箱?

除了低效率之外，原語和類之間的區(qū)別還帶來了語言級的困難。創(chuàng)建像Integer和Long這樣的原語“箱”(以及自動(dòng)裝箱)是為了減輕這種區(qū)別所帶來的問題。但是，它并不能真正解決這些問題，而且它給開發(fā)人員和機(jī)器都帶來了一定程度的開銷。作為開發(fā)人員，必須了解并記住int和Integer(以及ArrayList<Integer>， int[]， Integer[]，以及缺少ArrayList<int>)之間的區(qū)別。與此同時(shí)，機(jī)器必須在兩者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。?

在某種程度上，裝箱模糊了這些實(shí)體如何工作的底層細(xì)微差別，因此很難同時(shí)了解類語法的強(qiáng)大功能和原語的性能。?

問題3：泛型和流?

在泛型中，所有這些考慮因素都非常重要。泛型旨在使跨功能的泛化更容易、更顯式，但這組非對象變量(原語)的挑剔存在只會(huì)導(dǎo)致它崩潰。<int>不存在，因?yàn)閕nt根本不是一個(gè)類，它不是對象的后代。?

這個(gè)問題在集合和流等庫中也有體現(xiàn)，通過提供IntStream和其他非泛型變體，泛型庫函數(shù)的理想被迫處理int與Integer、long與long等現(xiàn)實(shí)。?

Valhalla的解決方案：值類和原語類?

Valhalla計(jì)劃從根本上解決這些問題。第一個(gè)也是最基本的概念是值類。這里的思想是，可以定義一個(gè)類，它具有類的所有優(yōu)點(diǎn)，比如具有方法并能夠?qū)崿F(xiàn)泛型，但沒有標(biāo)識(shí)。在實(shí)踐中，這意味著類是不可變的，不能是布局多態(tài)的(其中超類可以通過抽象屬性對子類進(jìn)行操作)。?

值類為人們提供了一種清晰而明確的方式來獲得所追求的性能特征，同時(shí)仍然可以訪問類語法和獲得行為的好處。這意味著庫構(gòu)建者也可以使用它們，從而改進(jìn)API設(shè)計(jì)。?

更進(jìn)一步的是原語類，它類似于一個(gè)更極端的值類。本質(zhì)上，原語類是一個(gè)真正的原語變量的薄包裝器，但帶有類方法。這有點(diǎn)像自定義的流線型原語箱。改進(jìn)在于使裝箱系統(tǒng)更加顯式和可擴(kuò)展。此外，由原語類包裝的原語值保留了原語的性能特征(沒有底層的裝箱和拆箱)。因此，原語類可以在任何類可以存在的地方使用——例如，在Object[]數(shù)組中。基本類型不能為空(它們不能被設(shè)置為空)。?

一般來說，Valhalla項(xiàng)目使原語和用戶定義類型更加接近。這為開發(fā)人員在純原語和對象之間提供了更多的選擇，并使權(quán)衡變得明確。它還使這些操作總體上更加一致。特別是，新的原語系統(tǒng)將使原語和對象的工作方式、它們的裝箱方式以及如何添加新的原語和對象變得更加流暢。?

Java的語法將如何變化?

Valhalla已經(jīng)看到了一些不同的語法建議，但現(xiàn)在項(xiàng)目有了明確的形式和方向。兩個(gè)新的關(guān)鍵字修改了類關(guān)鍵字：value和primitive。用value class語法聲明的類將放棄其標(biāo)識(shí)，并在這一過程中獲得性能改進(jìn)。除了可變性和多態(tài)限制外，對類的大部分期望仍然適用，并且此類類可以完全參與泛型代碼(例如object[]或ArrayList<T>)。值類默認(rèn)為null。?

原語類語法創(chuàng)建的類比傳統(tǒng)對象和傳統(tǒng)原語更進(jìn)一步。這些類默認(rèn)為字段的基礎(chǔ)值(int為0,double為0.0，等等)，并且不能為空。原語類在優(yōu)化方面獲得最多，在特性方面犧牲最多。原語類最終將被用于對平臺(tái)中的所有原語建模，這意味著用戶和庫定義的原語添加將與內(nèi)置組件參與到同一個(gè)系統(tǒng)中。?

IdentityObject和ValueObject?

IdentityObject和ValueObject是Valhalla項(xiàng)目中引入的兩個(gè)新接口。這將允許運(yùn)行時(shí)確定正在處理的類的類型。 ?

對于有經(jīng)驗(yàn)的Java開發(fā)人員來說，最根本的語法更改可能是增加了.ref成員。所有類型現(xiàn)在都有V.ref()字段。這個(gè)字段的操作類似于基本類型上的box，所以是int.ref類似于用Integer包裝int。普通類將解析.ref到它們的引用。總體效果是提供了一種一致的方式來請求變量的引用，而不管變量的類型是什么。這也會(huì)導(dǎo)致所有Java數(shù)組都是“協(xié)變的”，也就是說，它們都起源于Object[]。因此，int[]現(xiàn)在來自O(shè)bject[]，可以在任何需要的地方使用。 ?

結(jié)論?

值類和原語類將對Java及其生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。當(dāng)前的路線圖計(jì)劃首先引入值類，然后是原語類。接下來將遷移現(xiàn)有的原語裝箱類(如Integer)以使用新的原語類。有了這些特性，下一個(gè)被稱為通用泛型的特性將允許原語類直接與泛型一起使用，從而消除API中重用的許多復(fù)雜性。最后，專門的泛型(允許T擴(kuò)展Foo的所有表達(dá)能力)將與原語類集成。 ?

Valhalla項(xiàng)目及其組成項(xiàng)目仍處于設(shè)計(jì)階段，但越來越接近。項(xiàng)目周圍的活動(dòng)表明，價(jià)值類很快就會(huì)出現(xiàn)在JDK預(yù)覽中。?

在這些有趣的技術(shù)工作之外，讓人感覺到了Java的持續(xù)活力。人們有意愿也有能力去識(shí)別平臺(tái)在哪些方面可以從根本上進(jìn)行改進(jìn)，這是保持Java相關(guān)性的真正承諾的證據(jù)。而Project Loom是對Java未來持樂觀態(tài)度的另一個(gè)項(xiàng)目。?

原文標(biāo)題：??Project Valhalla: A look inside Java’s epic refactor??，作者：Matthew Tyson

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