Java11中如何解决基于嵌套关系的访问控制优化问题

这篇文章主要为大家展示了Java11中如何解决基于嵌套关系的访问控制优化问题，内容简而易懂，条理清晰，希望能够帮助大家解决疑惑，下面让小编带大家一起来研究并学习一下“Java11中如何解决基于嵌套关系的访问控制优化问题”这篇文章吧。

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.classCompiled 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：

@Testvoid 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.classCompiled 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：

@Testvoid 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：

@Testvoid 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：

@Testvoid 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：

@Testvoid 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）。 

Java有哪些集合类

Java中的集合主要分为四类：1、List列表：有序的，可重复的；2、Queue队列：有序，可重复的；3、Set集合：不可重复；4、Map映射：无序，键唯一，值不唯一。

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