Java 理论与实践: 在 JDK 早期版本中使用 Java 5 的语言特性

即使只能用 JDK 1.4,也可以使用泛型

Java™ 5 添加了许多强大的语言特性:泛型、枚举、注释、自动装箱和增强的 for 循环。但是,许多工作组仍然被绑定在 JDK 1.4 或以前的版本上,可能需要花些时间才能使用新版本。但是,这些开发人员仍然可以使用这些功能强大的语言特性,同时在 JVM 早期版本上部署。在这一期 Java 理论与实践 中,Brian Goetz 将演示如何在 JDK 早期版本中使用 Java 5 的语言特性。

Brian Goetz (brian.goetz@sun.com), 高级工程师, Sun Microsystems

Brian Goetz 作为专业的软件开发人员已经有 20 年了。他是 Sun Microsystems 的高级工程师,并且效力于多个 JCP 专家组。Brian 的新书 Java Concurrency In Practice 在 2006 年 5 月由 Addison-Wesley 出版。请参阅 Brian 在流行的业界出版物上 已发表和即将发表的文章



2007 年 3 月 21 日

随着最新的 Java 6.0 的发布,您可能认为 Java 5 的语言特性是 “旧的新特性”。但是即使在现在,当我询问开发人员在开发时使用的 Java 平台的版本时,通常只有一半人在使用 Java 5 —— 另一半则只能表示羡慕。他们非常希望使用 Java 5 中添加的语言特性,例如泛型和注释,但仍有许多因素妨碍他们这样做。

不能利用 Java 5 特性的开发人员包括那些开发组件、库或应用程序框架的开发人员。因为他们的客户可能仍然在使用 JDK 1.4 或以前的版本,并且 JDK 1.4 或以前的 JVM 不能装载用 Java 5 编译的类,所以使用 Java 5 语言特性会把他们的客户基数限制在已经迁移到 Java 5 的公司。

另一类经常避免使用 Java 5 的开发人员是使用 Java EE 的开发人员。许多开发团队不愿在 Java EE 1.4 及以前的版本上使用 Java 5,因为担心其应用服务器的厂商不支持 Java 5。这些开发人员要迁移到 Java EE 5 可能还有待时日。除了 Java EE 5 和 Java SE 5 规范之间的滞后,商业 Java EE 5 容器没有必要在规范刚刚制定好就能使用,企业也没有必要在应用服务器出现下一个版本时就立即升级,而且在升级应用服务器之后,可能还需要花些时间在新平台上验证其应用程序。

Java 5 语言特性的实现

Java 5 中添加的语言特性 —— 泛型、枚举、注释、自动装箱和增强的 for 循环 —— 不需要修改 JVM 的指令集,几乎全部是在静态编译器(javac)和类库中实现的。当编译器遇到使用泛型的情况时,会试图检查是否保证了类型安全(如果不能检查,会发出 “unchecked cast”),然后发出字节码,生成的字节码与等价的非泛型代码、类型强制转换所生成的字节码相同。类似的,自动装箱和增强的 for 循环仅仅是等价的 “语法糖”,只是更复杂的语法和枚举被编译到普通的类中。

在理论上,可以采用 javac 生成的类文件,在早期的 JVM 中装入它们,这实际上正是 JSR 14(负责泛型的 Java Community Process 工作组)的成立目的。但是,其他问题(例如注释的保持)迫使类文件的版本在 Java 1.4 和 Java 5 之间变化,因此妨碍了早期 JVM 中装入用 Java 5 编译的代码。而且,在 Java 5 中添加的有些语言特性依赖于 Java 5 库。如果用 javac -target 1.5 编译类,并试图将它装入早期 JVM 中,就会得到 UnsupportedClassVersionError,因为 -target 1.5 选项生成的类的类文件版本是 49,而 JDK 1.4 只支持版最大为 48 的类文件版本。

for-each 循环

增强的 for 循环有时叫做 for-each 循环,编译器编译它的时候,情形与程序员提供旧式 for 循环一样。for-each 循环能够迭代数组或集合中的元素。清单 1 显示了用 for-each 在集合上迭代的语法:

清单 1. for-each 循环
Collection<Foo> fooCollection = ...

for (Foo f : fooCollection) { 
    doSomething(f);
}

编译器把这个代码转换成等价的基于迭代器的循环,如清单 2 所示:

清单 2. 清单 1 基于迭代器的等价循环
for (Iterator<Foo> iter=f.iterator(); f.hasNext();) { 
    Foo f = iter.next();
    doSomething(f);
}

编译器如何知道提供的参数有一个 iterator() 方法呢? javac 编译器的设计者可能已经内置了对集合框架的理解,但是这种方法有些不必要的限制。所以,创建了一个新的接口 java.lang.Iterable(请参阅清单 3 ),并翻新集合类使其实现 Iterable 接口。这样,不是在核心集合框架上构建的容器类也能利用新的 for-each 循环。但是这样做会形成对 Java 5 类库的依赖,因为在 JDK 1.4 中没有 Iterable

清单 3. Iterable 接口
public interface Iterable<T> {
    Iterator<T> iterator();
}

枚举和自动装箱

正像 for-each 循环一样,枚举也要求来自类库的支持。当编译器遇到枚举类型时,生成的类将扩展库类 java.lang.Enum。但是,同 Iterable 一样,在 JDK 1.4 类库中也没有 Enum 类。

类似的,自动装箱依赖于添加到原始包装器类(例如 Integer)的 valueOf() 方法。当装箱需要从 int 转换到 Integer 时,编译器并不调用 new Integer(int),而是生成对 Integer.valueOf(int) 的调用。valueOf() 方法的实现利用 享元(flyweight)模式 为常用的整数值缓存 Integer 对象(Java 6 的实现缓存从 -128 到 127 的整数),由于消除了冗余的实例化,可能会提高性能。而且,就像 IterableEnum 一样,valueOf() 方法在 JDK 1.4 类库中也不存在。

变长参数

当编译器遇到用变长参数列表定义的方法时,会把其转换成包含正确组件类型数组的方法;当编译器遇到带有变长参数列表方法的调用时,就把参数装进数组。

注释

定义了注释的之后,可以用 @Retention 对它进行注释,它可以决定编译器对使用这个注释的类、方法或字段执行什么处理。已经定义的保持策略有 SOURCE (在编译时舍弃注释数据)、CLASS (在类文件中记录注释)或 RUNTIME (在类文件中记录注释,并在运行时保留注释,这样就可以反射地访问它们了)。

其他的库依赖关系

在 Java 5 之前,当编译器遇到尝试连接两个字符串的情况时,会使用帮助器类 StringBuffer 执行连接。在 Java 5 及以后的版本中,转而调用新的 StringBuilder 类,JDK 1.4 及以前的类库中不存在该类。


访问 Java 5 特性

因为语言特性对库支持的依赖,即使使用 Java 5 编译器生成的类文件能够装入早期 JVM 版本,执行也会因为类装入错误而失败。但是,通过对字节码进行适当转换,仍有可能解决这些问题,因为这些遗漏的类并不包含实际的新功能。

JSR 14

在 Java 泛型规范(以及其他 Java 5 新添加的语言特性)的开发期间,在 javac 编译器中添加了试验性的支持,以便让它能使用 Java 5 的语言特性,并生成能在 Java 1.4 JVM 上运行的字节码。虽然这些特性不受支持(甚至是文档),但许多开源项目都使用了它们,使得开发人员能使用 Java 5 语言特性编码,并生成能在早期 JVM 上使用的 JAR 文件。而且,既然 javac 是开源的,那么这个特性有可能得到第三方的支持。要激活这些特性,可以用 -source 1.5-target jsr14 选项调用 javac

javac 的 JSR 14 目标模式使编译器生成与 Java 5 语言特性对应的 JDK 1.4 兼容字节码:

  • 泛型和变长参数:编译器在泛型出现的地方插入的强制转换不依赖类库,所以能够在 Java 5 之前的 JVM 上很好地执行。类似的,编译器在出现变长参数列表的地方生成的代码也不依赖类库。
  • for-each 循环:当迭代数组时,编译器生成归纳变量和标准的数组迭代语法。当在 Collection 上迭代时,编译器生成标准的基于迭代器的语法。当在非集合的 Iterable 上迭代时,编译器生成错误。
  • 自动装箱:编译器不生成对包装器类的 valueOf() 方法的调用,而是生成对构造函数的调用。
  • 字符串连接javac 的 JSR 14 目标模式使编译器生成对 StringBuffer 的调用而不是对 StringBuilder 的调用。
  • 枚举javac JSR 14 目标模式对枚举没有特殊支持。尝试使用枚举的代码会失败,在寻找 java.lang.Enum 基类时出现 NoClassDefFoundError

使用 JSR 14 目标模式允许在 “简易” 情况下编写使用泛型、自动装箱和 for-each 循环的代码,这对多数项目来说可能足够了。这很方便,如果不支持的话,编译器会一次生成基本兼容的字节码。

Retroweaver

JSR 14 目标模式不支持某些 Java 5 语言特性(例如 Iterable 和枚举)。Retroweaver 和 Retrotranslator 这类开源项目采用的另一种方法是用 -target 1.5 生成字节码,然后自动将字节码转换成与 JDK 1.4 兼容的东西。

首先是 Retroweaver,它能处理 javac -target JSR 14 能处理的所有情况和其他一些情况:

  • for-each 循环:Retroweaver 提供了 Iterable 接口的实现,把实现 Iterable 的类重写成实现它自己版本的类。
  • 自动装箱:Retroweaver 把对 valueOf() 方法的调用重写成调用对应的构造函数。
  • 字符串连接:Retroweaver 用 StringBuffer 代替了 StringBuilder
  • 枚举:Retroweaver 提供了 Enum 基类的实现,并重写了实现 Enum 的类,或者调用它的方法以使用自己的版本。

Retrotranslator

正如在开源世界中经常发生的,如果一个项目停止发展,无疑说明它已经失败,一个新项目会取代它的位置,即使它只是在休息。这就是 Retroweaver 的命运;它的主要维护者中断了项目,另一个类似项目 Retrotranslator 就取代了它的位置。Retrotranslator 提供了与 Retroweaver 相同的特性,外加许多额外特性,目标是支持 Java 5 中添加的重要类库:

  • 把对 java.util.concurrent 类的调用替换成开源 JDK 1.4 backport 中对应的类。
  • 提供了添加到 Java 5 集合框架中的特性的实现,例如 ArraysCollections 中的新方法。类似的,还提供了添加到 Java 5 类库的其他新方法和类的实现。
  • 支持注释的运行时反射。

Retroweaver 和 Retrotranslator 都能静态地(在编译时)或动态地(在类装入时)执行它们的字节码转换。


结束语

对于不能使用 Java 5 语言特性的开发人员(而且不幸的是,这类开发人员还很多),有多种方法可以使他们使用 Java 5 的一些语言特性,同时保持与 JDK 1.4 及以前版本的字节码兼容性。javac 中不支持的 -target jsr14 选项可以为某些 Java 5 语言特性生成与 JDK 1.4 兼容的字节码,并且开源的 Retroweaver 和 Retrotranslator 项目能把多数 Java 5 字节码转换成与 Java 1.4 兼容的字节码。当然,不论选择哪种方式,都不要忘记仔细地进行测试,以验证其确实兼容。

参考资料

学习

获得产品和技术

  • 下载 Retroweaver:利用 Java 1.5 的新语言特性,同时保持与 1.4 虚拟机的完整的二进制兼容性。
  • 下载 Retrotranslator:该开源工具能把用 JDK 5 编译的 Java 类转换成能在 JVM 1.4 上运行的类。

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ArticleTitle=Java 理论与实践: 在 JDK 早期版本中使用 Java 5 的语言特性
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