scala中的字段和成员方法的底层class字节文件分析

本文基于class字节码来分析在Scala语言中， 一个类中的字段和方法是如何实现的， 并且对比和java实现方式的区别。

首先看一段简单的源码：

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class FieldMethodTest{

private var i = 0

private val j = 0

def add() : Int = i + j

}

这个类很简单， 其中有两个字段和一个方法：

i字段被声明为var， 是可变的，类似于java中的普通变量；

j字段被声明为val， 是不可变的， 类似于java中的final ， 一旦被初始化， 就不能被改变；

add方法没有参数， 并且返回Int， 计算的是i和j的和。

源码很简单。 下面我们编译这个类， 并且反编译class文件， 来看看scala中的字段和方法到底编译成了什么形式。

编译源文件：

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scalac FieldMethodTest.scala

反编译字节码：

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javap -c -v -private -classpath . FieldMethodTest

之所以加上-private选项， 是因为javap命令默认不会输出私有成员的信息， 加上这个选项就可以输出私有成员的信息。

下面是输出结果：

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Classfile /D:/Workspace/scala/scala-test/FunctionTest/FieldMethodTest.class

Last modified 2014-4-2; size 1017 bytes

MD5 checksum 57c9795df9f0e79c3c3bfa9de3f98096

Compiled from "FieldMethodTest.scala"

public class FieldMethodTest

SourceFile: "FieldMethodTest.scala"

RuntimeVisibleAnnotations:

0: #6(#7=s#8)

ScalaSig: length = 0x3

05 00 00

minor version: 0

major version: 50

flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

Constant pool:

#1 = Utf8 FieldMethodTest

#2 = Class #1 // FieldMethodTest

#3 = Utf8 java/lang/Object

#4 = Class #3 // java/lang/Object

#5 = Utf8 FieldMethodTest.scala

#6 = Utf8 Lscala/reflect/ScalaSignature;

#7 = Utf8 bytes

#8 = Utf8 
!......

#9 = Utf8 i

#10 = Utf8 I

#11 = Utf8 j

#12 = Utf8 ()I

#13 = NameAndType #9:#10 // i:I

#14 = Fieldref #2.#13 // FieldMethodTest.i:I

#15 = Utf8 this

#16 = Utf8 LFieldMethodTest;

#17 = Utf8 i_$eq

#18 = Utf8 (I)V

#19 = Utf8 x$1

#20 = NameAndType #11:#10 // j:I

#21 = Fieldref #2.#20 // FieldMethodTest.j:I

#22 = Utf8 add

#23 = NameAndType #9:#12 // i:()I

#24 = Methodref #2.#23 // FieldMethodTest.i:()I

#25 = NameAndType #11:#12 // j:()I

#26 = Methodref #2.#25 // FieldMethodTest.j:()I

#27 = Utf8 <init>

#28 = Utf8 ()V

#29 = NameAndType #27:#28 // "<init>":()V

#30 = Methodref #4.#29 // java/lang/Object."<init>":()V

#31 = Utf8 Code

#32 = Utf8 LocalVariableTable

#33 = Utf8 LineNumberTable

#34 = Utf8 SourceFile

#35 = Utf8 RuntimeVisibleAnnotations

#36 = Utf8 ScalaSig

{

private int i;

flags: ACC_PRIVATE

private final int j;

flags: ACC_PRIVATE, ACC_FINAL

private int i();

flags: ACC_PRIVATE

Code:

stack=1, locals=1, args_size=1

0: aload_0

1: getfield #14 // Field i:I

4: ireturn

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 5 0 this LFieldMethodTest;

LineNumberTable:

line 3: 0

private void i_$eq(int);

flags: ACC_PRIVATE

Code:

stack=2, locals=2, args_size=2

0: aload_0

1: iload_1

2: putfield #14 // Field i:I

5: return

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 6 0 this LFieldMethodTest;

0 6 1 x$1 I

LineNumberTable:

line 3: 0

private int j();

flags: ACC_PRIVATE

Code:

stack=1, locals=1, args_size=1

0: aload_0

1: getfield #21 // Field j:I

4: ireturn

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 5 0 this LFieldMethodTest;

LineNumberTable:

line 4: 0

public int add();

flags: ACC_PUBLIC

Code:

stack=2, locals=1, args_size=1

0: aload_0

1: invokespecial #24 // Method i:()I

4: aload_0

5: invokespecial #26 // Method j:()I

8: iadd

9: ireturn

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 10 0 this LFieldMethodTest;

LineNumberTable:

line 6: 0

public FieldMethodTest();

flags: ACC_PUBLIC

Code:

stack=2, locals=1, args_size=1

0: aload_0

1: invokespecial #30 // Method java/lang/Object."<init>":()V

4: aload_0

5: iconst_0

6: putfield #14 // Field i:I

9: aload_0

10: iconst_0

11: putfield #21 // Field j:I

14: return

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 15 0 this LFieldMethodTest;

LineNumberTable:

line 1: 0

line 3: 4

line 4: 9

}

源码虽然很简短， 但是字节码却很长。 这不得不让我们怀疑， scalac编译器在编译源码的时候做了什么手脚。下面我们仔细分析反编译结果。

首先看字段：

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private int i;

flags: ACC_PRIVATE

private final int j;

flags: ACC_PRIVATE, ACC_FINAL

源文件中的i使用var声明， 编译后是普通的私有变量， j在源文件中用val声明， 编译后被加上了ACC_FINAL标志， 可以认为是不可变的， 与java中的final关键字的语义是一样的。

然后看方法信息：

我们在源文件中只定义了一个方法add， 字节码中却出现了5个方法！！！这确实有点让人抓狂。不用多说， 肯定有4个是scala编译器自动生成的。下面我们逐一分析：

1） 自动生成构造方法 public FieldMethodTest();

这个现象很正常， 即使是在java中， 如果你不定义构造方法的话， javac编译器也会自动生成一个无参数构造方法。根据该方法的字节码我们可以看到， 构造方法的逻辑是先使用invokespecial指令调用父类Object的构造方法， 然后用putfield指令初始化字段i和字段j 。

2）自动生成方法 private int i();

这个方法让人很费解， 它的方法体中的逻辑是使用getfield指令获取字段i的值， 并返回字段i的值。 类似于java中的getter方法。

3）自动生成方法 private void i_$eq(int);

它的方法体中的逻辑是， 使用传入的参数， 为变量i赋值。类似于java中的setter方法。

4）自动生成方法 private int j();

它的方法体中的逻辑是使用getfield指令获取字段j的值， 并返回字段j的值。 类似于java中的getter方法。

之所以没有生成和j字段相对的 private void j_$eq(int); 方法， 是因为j是不可变的， 在初始化后， 就不能通过setter改变它的值。

下面分析源码中的add方法对应的class中的方法。

add方法， 编译到class文件中之后， 生成了方法 public int add(); ， 在源码中， 该方法的逻辑很简单， 直接将i 和 j相加， 然后返回相加后的和。 既然是将两个变量相加， 那么我们猜想，在方法体中必然存在访问这两个字段的指令getfield 。 但是看它的字节码指令：

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public int add();

flags: ACC_PUBLIC

Code:

stack=2, locals=1, args_size=1

0: aload_0

1: invokespecial #24 // Method i:()I

4: aload_0

5: invokespecial #26 // Method j:()I

8: iadd

9: ireturn

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 10 0 this LFieldMethodTest;

LineNumberTable:

line 6: 0

其中并没有getfield指令， 对这i字段的访问， 是通过调用自动生成的方法private int i(); ， 而对字段j的访问， 是通过调用自动生成的方法 private int j(); 。

这说明， 在源码中， 所有对字段的显示访问， 都会在class中编译成通过getter和setter方法来访问。这也说名了为什么下面的代码不能通过编译：

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class FieldMethodTest{

private var abc = 0

def abc() : Int = {1 + 2 + 3}

}

编译这个类， 会得到如下错误提示：

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scalac FieldMethodTest.scala

FieldMethodTest.scala:5: error: method abc is defined twice

conflicting symbols both originated in file 'D:\Workspace\scala\scala-test\Fun

ctionTest\FieldMethodTest.scala'

def abc() : Int = {1 + 2 + 3}

^

one error found

提示的大概意思是， abc方法重复定义了。 也就是说， 编译器为abc字段自动生成一个abc方法， 然后源文件中也定义了一个abc方法， 所以方法冲突。

至于为什么会编译成这样， 应该是想通过这种方式， 让字段和方法位于相同的层次上， 也就是让字段和方法位于相同的命名空间中。如何用java来实现的话， 有点像这样：

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class FieldMethodTest{

private int i = 0

private final j = 0

private int i(){

return i;

}

private void setI(int i){

this.i = i;

}

private int j(){

return j;

}

int add(){

return i() + j();

}

}

总结

scalac编译器会为类中的var字段自动添加setter和getter方法， 会为类中的val字段自动添加getter方法。 其中的getter方法名和字段名相同。

源文件中所有对字段的显式访问， 都会编译成通过getter和setter方法对字段进行访问。

由此可见， 编译器会我们做了大量的工作， 这正是scala代码会比java代码简洁的原因， 听说实现相同的项目， scala能比java少些一半的代码。 让我们记住这条规则： 在写scala程序时， 你不是一个人在编码， 而是在和scalac一同工作 。