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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11$ cat >Lambda.javaimport 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 Lambdaclass Lambda$$Lambda$1](/image.pl?url=https%3a%2f%2fimage.slidesharecdn.com%2flambdameetsinvokedynamic-130722045429-phpapp01%2f75%2finvokedynamic-12-2048.jpg&f=jpg&w=240)
![シングルトンインスタンス: 確認41$ cat >Lambda.javaimport java.util.*;public class Lambda {static Comparator<String> comparator() {return (x, y) -> x.length() - y.length();}public static void main(String[] args) {System.out.println(comparator());System.out.println(comparator());System.out.println(comparator());}}$ javac Lambda.java && java LambdaLambda$$Lambda$1@84aee7Lambda$$Lambda$1@84aee7Lambda$$Lambda$1@84aee7](/image.pl?url=https%3a%2f%2fimage.slidesharecdn.com%2flambdameetsinvokedynamic-130722045429-phpapp01%2f75%2finvokedynamic-42-2048.jpg&f=jpg&w=240)
![Lambda: A Peek Under The Hood [Java Day Tokyo 2015 6-3]](/image.pl?url=https%3a%2f%2fcdn.slidesharecdn.com%2fss_thumbnails%2fluthjd2015tokyo-171122021505-thumbnail.jpg%3fwidth%3d640%26amp%3bheight%3d640%26amp%3bfit%3dbounds&f=jpg&w=240)
ラムダと invokedynamic の蜜月
- 1.ラムダと invokedynamic の蜜月宮川拓 / @miyakawa_taku2013-07-22 JJUG ナイトセミナー
- 2.自己紹介• 宮川 拓(@miyakawa_taku) と申します• SI 屋です• JJUG 幹事です• Kink という JVM 言語を開発しています– https://bitbucket.org/kink/kink1
- 3.要旨• ラムダ式の実行は invokedynamicで実現されます。その理由と、実行の流れを見ます– 論点整理– ラムダ式の実行 (1)– invokedynamic の復習– ラムダ式の実行 (2)– なぜ invokedynamic?– ラムダの直列化2※注記この資料は、 JDK, JRE の「仕様」と「実装」を厳密に区別していません。
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- 5.静的構造4関数型インタフェースラムダのクラスラムダのインスタンスinstance-ofimplementsComparableComparable<String> c =(x, y) -> x.length() - y.length();cc のクラス
- 6.実行の流れ5Comparable<String> c =(x, y) -> x.length() - y.length();Collections.sort(strings, c);main Collectionsラムダsort compare / 処理の中身の実行new / ラムダ式の実行今回の主な論点
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- 9.匿名クラスをコンパイル• 匿名クラスは、「外側のクラス名$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.javaimport 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 *.classAnonClass$1.classAnonClass.class
- 10.ラムダをコンパイル• 同等のラムダをコンパイルしても、対応するクラスファイルは生成されません9$ cat>Lambda.javaimport java.util.*;class Lambda {Comparator<String> comparator() {return (x, y) -> x.length() - y.length();}}$ javac Lambda.java && ls *.classLambda.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.javaimport 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 Lambdaclass 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$$Lambda$1"));...$ javac Lambda.java && java Lambdanullclass Lambda$$Lambda$1
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- 15.ラムダ式のバイトコード• ラムダ式を含むプログラムのクラスファイルを、javap コマンドで逆アセンブルします14$cat >Lambda.javaimport 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15class Lambda{...java.util.function.IntUnaryOperator adder(int);Code:0: iload_11: invokedynamic #2, 06: areturnprivate static int lambda$0(int, int);Code:0: iload_11: iload_02: iadd3: 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16class 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
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- 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 SE6 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21intresult = receiver.doSomething(arg0, arg1);receiverarg0receiverarg1arg0receiver 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22invokestatic 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23array.joininvokevirtual処理系size Func@42join Func@123検索def join...invokevirtual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！24array.joininvokedynamic 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25MethodHandle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 CallSite26
- 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27static 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
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- 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30invokedynamic<<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#metaFactory31CallSite 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32class 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$0(int delta, int n) {return n + delta;}}metaFactoryが生成→ 結局、やってることは匿名クラスと（ほぼ）同じ！
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- 35.なぜ invokedynamic?• invokedynamicによるラムダ式の実行は、動作としては匿名クラスと似たようなものでした• なぜ、わざわざ invokedynamic を使うのでしょうか？→(1) クラスファイルが少なくなるおかげで、起動が速くなる、かもしれません→(2) JVM が LambdaMetaFactory を独自に実装することで、最適なインスタンス生成の方法を選択できるようになります34
- 36.(1) 起動時間• JavaSE 8 では、 Streams API の採用によって、プログラム中で全面的にラムダ式が利用されることが想定されています（実態はどうあれ！）• その際、ラムダ式を匿名クラス方式で実装すると、クラスファイルの数が飛躍的に増えるため、クラスローディングが遅くなってしまいます• invokedynamic で、クラスを実行時に生成すれば、起動時間が抑えられる、かもしれません35
- 37.匿名クラスとラムダ式の起動時間比較• 5,000 個の匿名クラス/ラムダをインスタンス化するプログラムを実行（各10回）36平均2,041ms2,375msCPU:Core i3-2120T (2.6 GHz)OS: Arch Linux, カーネル: 3.9.9-1-ARCHJVM: JDK-8 build b99 (64-bit)
- 38.匿名クラス＜ラムダ式 の考察• 匿名クラスの実行時間増加要因A)I/OB) jar の解凍• ラムダ式の実行時間増加要因C) ブートストラップメソッド呼び出し（それにともなう MethodHandle 作成など）D) バイトコード生成37A+B < C+D となった？
- 39.(2) インスタンス生成戦略の選択• LambdaMetaFactoryは JVM が提供するAPI です。したがって、実行時に JVM に都合のよい方法でインスタンスが生成できます• 可能な選択肢:– 1 つのラムダ式ごとに 1 つのクラスを生成（既述）– 外部の値を参照しないラムダ式であれば、シングルトンインスタンスを戻す（後述）38
- 40.シングルトンインスタンス• 次のラムダ式は、外側の変数に依存していないため、何度実行しても、同じ働きのインスタンスを戻します→この場合、シングルトンインスタンスを毎回使い回せばいいはずです39Comparator<String> comparator(){return (x, y) -> x.length() - y.length();}
- 41.シングルトンインスタンス: 実行の流れ• ラムダの処理の本体が、外側の変数に依存していない場合、ラムダ式はシングルトンインスタンスを戻します40invokedynamic<<ブートストラップ>>LambdaMetaFactory#metaFactoryシングルトンインスタンス2回目以降の実行1. ラムダのクラスを生成2. ラムダのシングルトンインスタンスを生成3. シングルトンインスタンスを戻すMethodHandle を生成
- 42.シングルトンインスタンス: 確認41$ cat>Lambda.javaimport 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 LambdaLambda$$Lambda$1@84aee7Lambda$$Lambda$1@84aee7Lambda$$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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- 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
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- 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_Lambda.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/20120728/134347848550