一、前言
Java 從 7 版本到 17 版本,在語言和虛擬機層面不斷演進,其中一個重要的改進是針對巢狀類別 (nested classes) 的存取控制。在 Java 11 之前,巢狀類別的存取控制在某些情況下略顯不足,導致編譯器需要產生「橋接方法」(bridge methods)來允許內部類別存取外部類別的私有成員。Java 11 引入了「巢狀式存取控制」 (Nest-Based Access Control),通過在類別檔案中引入
NestHost
和
NestMembers
屬性,提升了巢狀類別的存取效率和可維護性。這種改進簡化了虛擬機的行為,避免了編譯器合成橋接方法,使得程式碼更加清晰且執行效率更高。本文將深入探討 Java 7 至 17 關於巢狀存取控制的變化,分析其架構,工具與範例,並做出總結。
目錄
- 一、前言
- 二、舊有巢狀類別存取機制的挑戰 (Java 11 之前)
- 三、巢狀存取控制 (Nest-Based Access Control) 的引入 (Java 11)
- 四、Java 12 至 17 的相關演進
- 五、總結
二、舊有巢狀類別存取機制的挑戰 (Java 11 之前)
在 Java 11 之前,巢狀類別(包括內部類別和靜態巢狀類別)存取外部類別的私有成員時,會遇到一些挑戰:
- 編譯器合成橋接方法: 當內部類別需要存取外部類別的私有成員時,編譯器會自動生成橋接方法 (bridge method) ,這些橋接方法實際上是包裝器,用於存取外部類別的私有成員。這些方法在類別檔案中是可見的,但它們並不是程式設計師直接寫的,因此會造成混亂和額外的運行時開銷。
- 存取效能較差: 由於需要經過橋接方法的中轉,巢狀類別存取外部類別私有成員的效率會相對較低。
- 類別檔案膨脹: 編譯器合成的橋接方法會增加類別檔案的大小,影響載入速度和記憶體使用。
以下範例說明了橋接方法的存在:
xxxxxxxxxx
public class OuterClass {
private int privateField = 10;
public class InnerClass {
public void accessOuterPrivateField() {
System.out.println(privateField);
}
}
public static void main(String[] args) {
OuterClass outer = new OuterClass();
OuterClass.InnerClass inner = outer.new InnerClass();
inner.accessOuterPrivateField();
}
}
編譯 OuterClass.java 檔案,使用 Java 11 以前版本進行編譯:
xxxxxxxxxx
$ /d/jdk/zulu8.46.0.19-ca-jdk8.0.252-win_x64/bin/javac.exe -encoding utf-8 OuterClass.java
在 Java 11 之前,上述程式碼會生成一個包含橋接方法的類別檔案
OuterClass$InnerClass.class
。可以使用
javap -p
工具查看編譯後的 bytecode。
xxxxxxxxxx
$ /d/jdk/zulu8.46.0.19-ca-jdk8.0.252-win_x64/bin/javap.exe -v OuterClass\$InnerClass.class
Classfile /D:/Ethan/workspace/lab/example/text/java-newfeatures/src/OuterClass$InnerClass.class
Last modified 2025/1/20; size 567 bytes
MD5 checksum dc6b564ec623dfd8d92b68d922eb298e
Compiled from "OuterClass.java"
public class OuterClass$InnerClass
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Fieldref #6.#18 // OuterClass$InnerClass.this$0:LOuterClass;
#2 = Methodref #7.#19 // java/lang/Object."<init>":()V
#3 = Fieldref #20.#21 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#4 = Methodref #22.#23 // OuterClass.access$000:(LOuterClass;)I
#5 = Methodref #24.#25 // java/io/PrintStream.println:(I)V
#6 = Class #26 // OuterClass$InnerClass
#7 = Class #29 // java/lang/Object
#8 = Utf8 this$0
#9 = Utf8 LOuterClass;
#10 = Utf8 <init>
#11 = Utf8 (LOuterClass;)V
#12 = Utf8 Code
#13 = Utf8 LineNumberTable
#14 = Utf8 accessOuterPrivateField
#15 = Utf8 ()V
#16 = Utf8 SourceFile
#17 = Utf8 OuterClass.java
#18 = NameAndType #8:#9 // this$0:LOuterClass;
#19 = NameAndType #10:#15 // "<init>":()V
#20 = Class #30 // java/lang/System
#21 = NameAndType #31:#32 // out:Ljava/io/PrintStream;
#22 = Class #33 // OuterClass
#23 = NameAndType #34:#35 // access$000:(LOuterClass;)I
#24 = Class #36 // java/io/PrintStream
#25 = NameAndType #37:#38 // println:(I)V
#26 = Utf8 OuterClass$InnerClass
#27 = Utf8 InnerClass
#28 = Utf8 InnerClasses
#29 = Utf8 java/lang/Object
#30 = Utf8 java/lang/System
#31 = Utf8 out
#32 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#33 = Utf8 OuterClass
#34 = Utf8 access$000
#35 = Utf8 (LOuterClass;)I
#36 = Utf8 java/io/PrintStream
#37 = Utf8 println
#38 = Utf8 (I)V
{
final OuterClass this$0;
descriptor: LOuterClass;
flags: ACC_FINAL, ACC_SYNTHETIC
public OuterClass$InnerClass(OuterClass);
descriptor: (LOuterClass;)V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: aload_1
2: putfield #1 // Field this$0:LOuterClass;
5: aload_0
6: invokespecial #2 // Method java/lang/Object."<init>":()V
9: return
LineNumberTable:
line 4: 0
public void accessOuterPrivateField();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: aload_0
4: getfield #1 // Field this$0:LOuterClass;
7: invokestatic #4 // Method OuterClass.access$000:(LOuterClass;)I
10: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
13: return
LineNumberTable:
line 6: 0
line 7: 13
}
SourceFile: "OuterClass.java"
InnerClasses:
public #27= #6 of #22; //InnerClass=class OuterClass$InnerClass of class OuterClass
橋接方法分析:
- Constant pool 中的 #4 = Methodref #22.#23: 這個常數池項目表示 OuterClass000:(LOuterClass;)I 這個方法。
- accessOuterPrivateField() 方法中的 7: invokestatic #4: 在 accessOuterPrivateField() 方法的 bytecode 中,可以看到它使用 invokestatic 指令來呼叫 OuterClass.access$000 方法。
- access000 方法是一個由編譯器自動生成的橋接方法,它存在於 OuterClass 中,目的是讓 InnerClass 可以存取 OuterClass 的私有成員 privateField。
小結
在 Java 11 之前,當內部類別 InnerClass 需要存取外部類別 OuterClass 的私有成員 privateField 時,編譯器會做以下事情:
- 自動在 OuterClass 中生成一個 access000(OuterClass outer),它會存取 outer.privateField 並返回。
- InnerClass 的 accessOuterPrivateField 方法會呼叫 OuterClass.access$000 來間接存取 privateField。
這個 access$000 方法就是橋接方法。它在程式碼中是不可見的,由編譯器自動生成,增加了類別檔案的大小和執行時的開銷。
三、巢狀存取控制 (Nest-Based Access Control) 的引入 (Java 11)
Java 11 引入了巢狀式存取控制,旨在解決舊有巢狀類別存取機制的問題。巢狀存取控制的核心概念是 巢 (nest) 。一個巢由一個外部類別 (nest host) 和所有在語法上屬於這個巢的類別 (nest members) 所組成。 巢內的類別可以自然存取巢內其他類別的私有成員,無需橋接方法。
架構分析
-
NestHost
屬性: 在類別檔案中,每個巢成員都會有一個NestHost
屬性,指向它的巢的主體。這個屬性明確標示了該類別屬於哪個巢。 -
NestMembers
屬性: 巢主體類別會有一個NestMembers
屬性,列出屬於這個巢的所有成員類別。 - 存取規則: 屬於同一個巢的類別,彼此可以自由存取對方所有層次的成員,包括私有成員,無需產生橋接方法。
工具與實例
Java 11 及之後的版本,可以使用
javap -v
工具查看類別檔案的詳細資訊,包括
NestHost
和
NestMembers
屬性。
修改先前範例,使其符合巢狀存取控制的設計:
xxxxxxxxxx
public class OuterClassAfter11 {
private int privateField = 10;
public class InnerClass {
public void accessOuterPrivateField() {
System.out.println(privateField);
}
}
public static class StaticNested {
public void accessOuterPrivateField(OuterClassAfter11 outer) {
System.out.println(outer.privateField);
}
}
public static void main(String[] args) {
OuterClassAfter11 outer = new OuterClassAfter11();
OuterClassAfter11.InnerClass inner = outer.new InnerClass();
inner.accessOuterPrivateField();
OuterClassAfter11.StaticNested staticNested = new StaticNested();
staticNested.accessOuterPrivateField(outer);
}
}
編譯 OuterClassAfter11.java 檔案:
xxxxxxxxxx
$ javac -encoding utf-8 OuterClassAfter11.java
執行結果:
xxxxxxxxxx
$ java OuterClassAfter11.java
10
10
觀察 OuterClassAfter11.class 檔案:
-
NestMembers 屬性:
- 從 javap -v OuterClassAfter11.class 的輸出中,我們看到 NestMembers: 屬性包含 OuterClassAfter11InnerClass。這明確指出 OuterClassAfter11 是 Nest Host,而 StaticNested 和 InnerClass 都是這個 Nest 的成員。
-
InnerClasses 屬性:
- InnerClasses: 屬性列出所有內部類別,public #41= #14 of #8; // InnerClass=class OuterClassAfter11$InnerClass of class OuterClassAfter11 和 public static #42= #28 of #8; // StaticNested=class OuterClassAfter11$StaticNested of class OuterClassAfter11 確認了它們是 OuterClassAfter11 的內部類別。
xxxxxxxxxx
$ javap -v OuterClassAfter11.class
Classfile /D:/Ethan/workspace/lab/example/text/java-newfeatures/src/OuterClassAfter11.class
Last modified 2025年1月20日; size 730 bytes
SHA-256 checksum fda0dbffcb4d714172e20c1dce54e80a9ebd13ff08e01b48ee3be130f100dbdd
Compiled from "OuterClassAfter11.java"
public class OuterClassAfter11
minor version: 0
major version: 61
flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
this_class: #8 // OuterClassAfter11
super_class: #2 // java/lang/Object
interfaces: 0, fields: 1, methods: 2, attributes: 3
Constant pool:
#1 = Methodref #2.#3 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #4 // java/lang/Object
#3 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V
#4 = Utf8 java/lang/Object
#5 = Utf8 <init>
#6 = Utf8 ()V
#7 = Fieldref #8.#9 // OuterClassAfter11.privateField:I
#8 = Class #10 // OuterClassAfter11
#9 = NameAndType #11:#12 // privateField:I
#10 = Utf8 OuterClassAfter11
#11 = Utf8 privateField
#12 = Utf8 I
#13 = Methodref #8.#3 // OuterClassAfter11."<init>":()V
#14 = Class #15 // OuterClassAfter11$InnerClass
#15 = Utf8 OuterClassAfter11$InnerClass
#16 = Methodref #17.#18 // java/util/Objects.requireNonNull:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
#17 = Class #19 // java/util/Objects
#18 = NameAndType #20:#21 // requireNonNull:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
#19 = Utf8 java/util/Objects
#20 = Utf8 requireNonNull
#21 = Utf8 (Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
#22 = Methodref #14.#23 // OuterClassAfter11$InnerClass."<init>":(LOuterClassAfter11;)V
#23 = NameAndType #5:#24 // "<init>":(LOuterClassAfter11;)V
#24 = Utf8 (LOuterClassAfter11;)V
#25 = Methodref #14.#26 // OuterClassAfter11$InnerClass.accessOuterPrivateField:()V
#26 = NameAndType #27:#6 // accessOuterPrivateField:()V
#27 = Utf8 accessOuterPrivateField
#28 = Class #29 // OuterClassAfter11$StaticNested
#29 = Utf8 OuterClassAfter11$StaticNested
#30 = Methodref #28.#3 // OuterClassAfter11$StaticNested."<init>":()V
#31 = Methodref #28.#32 // OuterClassAfter11$StaticNested.accessOuterPrivateField:(LOuterClassAfter11;)V
#32 = NameAndType #27:#24 // accessOuterPrivateField:(LOuterClassAfter11;)V
#33 = Utf8 Code
#34 = Utf8 LineNumberTable
#35 = Utf8 main
#36 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#37 = Utf8 SourceFile
#38 = Utf8 OuterClassAfter11.java
#39 = Utf8 NestMembers
#40 = Utf8 InnerClasses
#41 = Utf8 InnerClass
#42 = Utf8 StaticNested
{
public OuterClassAfter11();
descriptor: ()V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: bipush 10
7: putfield #7 // Field privateField:I
10: return
LineNumberTable:
line 1: 0
line 2: 4
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=4, locals=4, args_size=1
0: new #8 // class OuterClassAfter11
3: dup
4: invokespecial #13 // Method "<init>":()V
7: astore_1
8: new #14 // class OuterClassAfter11$InnerClass
11: dup
12: aload_1
13: dup
14: invokestatic #16 // Method java/util/Objects.requireNonNull:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
17: pop
18: invokespecial #22 // Method OuterClassAfter11$InnerClass."<init>":(LOuterClassAfter11;)V
21: astore_2
22: aload_2
23: invokevirtual #25 // Method OuterClassAfter11$InnerClass.accessOuterPrivateField:()V
26: new #28 // class OuterClassAfter11$StaticNested
29: dup
30: invokespecial #30 // Method OuterClassAfter11$StaticNested."<init>":()V
33: astore_3
34: aload_3
35: aload_1
36: invokevirtual #31 // Method OuterClassAfter11$StaticNested.accessOuterPrivateField:(LOuterClassAfter11;)V
39: return
LineNumberTable:
line 17: 0
line 18: 8
line 19: 22
line 20: 26
line 21: 34
line 22: 39
}
SourceFile: "OuterClassAfter11.java"
NestMembers:
OuterClassAfter11$StaticNested
OuterClassAfter11$InnerClass
InnerClasses:
public #41= #14 of #8; // InnerClass=class OuterClassAfter11$InnerClass of class OuterClassAfter11
public static #42= #28 of #8; // StaticNested=class OuterClassAfter11$StaticNested of class OuterClassAfter11
觀察 OuterClassAfter11$InnerClass.class 檔案:
-
NestHost 屬性:
- 在 javap -v OuterClassAfter11$InnerClass.class 的輸出中,我們看到 NestHost: class OuterClassAfter11。這表示 InnerClass 的 Nest Host 是 OuterClassAfter11,也驗證了它是 OuterClassAfter11 Nest 的成員。
xxxxxxxxxx
$ javap -v OuterClassAfter11\$InnerClass.class
Classfile /D:/Ethan/workspace/lab/example/text/java-newfeatures/src/OuterClassAfter11$InnerClass.class
Last modified 2025年1月20日; size 609 bytes
SHA-256 checksum 0157ba0bc92487c059993cd4c308a362d69423c47cf6c888c1411d307ff3229f
Compiled from "OuterClassAfter11.java"
public class OuterClassAfter11$InnerClass
minor version: 0
major version: 61
flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
this_class: #2 // OuterClassAfter11$InnerClass
super_class: #8 // java/lang/Object
interfaces: 0, fields: 1, methods: 2, attributes: 3
Constant pool:
#1 = Fieldref #2.#3 // OuterClassAfter11$InnerClass.this$0:LOuterClassAfter11;
#2 = Class #4 // OuterClassAfter11$InnerClass
#3 = NameAndType #5:#6 // this$0:LOuterClassAfter11;
#4 = Utf8 OuterClassAfter11$InnerClass
#5 = Utf8 this$0
#6 = Utf8 LOuterClassAfter11;
#7 = Methodref #8.#9 // java/lang/Object."<init>":()V
#8 = Class #10 // java/lang/Object
#9 = NameAndType #11:#12 // "<init>":()V
#10 = Utf8 java/lang/Object
#11 = Utf8 <init>
#12 = Utf8 ()V
#13 = Fieldref #14.#15 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#14 = Class #16 // java/lang/System
#15 = NameAndType #17:#18 // out:Ljava/io/PrintStream;
#16 = Utf8 java/lang/System
#17 = Utf8 out
#18 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#19 = Fieldref #20.#21 // OuterClassAfter11.privateField:I
#20 = Class #22 // OuterClassAfter11
#21 = NameAndType #23:#24 // privateField:I
#22 = Utf8 OuterClassAfter11
#23 = Utf8 privateField
#24 = Utf8 I
#25 = Methodref #26.#27 // java/io/PrintStream.println:(I)V
#26 = Class #28 // java/io/PrintStream
#27 = NameAndType #29:#30 // println:(I)V
#28 = Utf8 java/io/PrintStream
#29 = Utf8 println
#30 = Utf8 (I)V
#31 = Utf8 (LOuterClassAfter11;)V
#32 = Utf8 Code
#33 = Utf8 LineNumberTable
#34 = Utf8 accessOuterPrivateField
#35 = Utf8 SourceFile
#36 = Utf8 OuterClassAfter11.java
#37 = Utf8 NestHost
#38 = Utf8 InnerClasses
#39 = Utf8 InnerClass
{
final OuterClassAfter11 this$0;
descriptor: LOuterClassAfter11;
flags: (0x1010) ACC_FINAL, ACC_SYNTHETIC
public OuterClassAfter11$InnerClass(OuterClassAfter11);
descriptor: (LOuterClassAfter11;)V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: aload_1
2: putfield #1 // Field this$0:LOuterClassAfter11;
5: aload_0
6: invokespecial #7 // Method java/lang/Object."<init>":()V
9: return
LineNumberTable:
line 4: 0
public void accessOuterPrivateField();
descriptor: ()V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #13 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: aload_0
4: getfield #1 // Field this$0:LOuterClassAfter11;
7: getfield #19 // Field OuterClassAfter11.privateField:I
10: invokevirtual #25 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
13: return
LineNumberTable:
line 6: 0
line 7: 13
}
SourceFile: "OuterClassAfter11.java"
NestHost: class OuterClassAfter11
InnerClasses:
public #39= #2 of #20; // InnerClass=class OuterClassAfter11$InnerClass of class OuterClassAfter11
無橋接方法分析:
-
Constant pool 中直接引用
#19 = Fieldref #20.#21
: InnerClass 的常數池直接包含了對OuterClassAfter11.privateField
的引用。 -
accessOuterPrivateField() 方法中的
7: getfield #19
: 在 accessOuterPrivateField() 方法中,InnerClass 直接使用 getfield 指令來存取外部類別 OuterClassAfter11 的 privateField,而沒有呼叫任何橋接方法。
觀察 OuterClassAfter11$StaticNested.class 檔案:
-
NestHost 屬性:
- 在 javap -v OuterClassAfter11$StaticNested.class 的輸出中,我們看到 NestHost: class OuterClassAfter11。這表示 StaticNested 的 Nest Host 是 OuterClassAfter11,也驗證了它是 OuterClassAfter11 Nest 的成員。
xxxxxxxxxx
$ javap -v OuterClassAfter11\$StaticNested.class
Classfile /D:/Ethan/workspace/lab/example/text/java-newfeatures/src/OuterClassAfter11$StaticNested.class
Last modified 2025年1月20日; size 556 bytes
SHA-256 checksum f1a06b849b734cef7ba2c2196188fc2ee820022fc1ecf0161b1bdad74e4ff39a
Compiled from "OuterClassAfter11.java"
public class OuterClassAfter11$StaticNested
minor version: 0
major version: 61
flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
this_class: #25 // OuterClassAfter11$StaticNested
super_class: #2 // java/lang/Object
interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 3
Constant pool:
#1 = Methodref #2.#3 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #4 // java/lang/Object
#3 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V
#4 = Utf8 java/lang/Object
#5 = Utf8 <init>
#6 = Utf8 ()V
#7 = Fieldref #8.#9 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#8 = Class #10 // java/lang/System
#9 = NameAndType #11:#12 // out:Ljava/io/PrintStream;
#10 = Utf8 java/lang/System
#11 = Utf8 out
#12 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#13 = Fieldref #14.#15 // OuterClassAfter11.privateField:I
#14 = Class #16 // OuterClassAfter11
#15 = NameAndType #17:#18 // privateField:I
#16 = Utf8 OuterClassAfter11
#17 = Utf8 privateField
#18 = Utf8 I
#19 = Methodref #20.#21 // java/io/PrintStream.println:(I)V
#20 = Class #22 // java/io/PrintStream
#21 = NameAndType #23:#24 // println:(I)V
#22 = Utf8 java/io/PrintStream
#23 = Utf8 println
#24 = Utf8 (I)V
#25 = Class #26 // OuterClassAfter11$StaticNested
#26 = Utf8 OuterClassAfter11$StaticNested
#27 = Utf8 Code
#28 = Utf8 LineNumberTable
#29 = Utf8 accessOuterPrivateField
#30 = Utf8 (LOuterClassAfter11;)V
#31 = Utf8 SourceFile
#32 = Utf8 OuterClassAfter11.java
#33 = Utf8 NestHost
#34 = Utf8 InnerClasses
#35 = Utf8 StaticNested
{
public OuterClassAfter11$StaticNested();
descriptor: ()V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 10: 0
public void accessOuterPrivateField(OuterClassAfter11);
descriptor: (LOuterClassAfter11;)V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: aload_1
4: getfield #13 // Field OuterClassAfter11.privateField:I
7: invokevirtual #19 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
10: return
LineNumberTable:
line 12: 0
line 13: 10
}
SourceFile: "OuterClassAfter11.java"
NestHost: class OuterClassAfter11
InnerClasses:
public static #35= #25 of #14; // StaticNested=class OuterClassAfter11$StaticNested of class OuterClassAfter11
無橋接方法分析:
-
Constant pool 中直接引用
#13 = Fieldref #14.#15
: StaticNested 的常數池直接包含了對OuterClassAfter11.privateField:I
的引用。 -
accessOuterPrivateField() 方法中的
4: getfield #13
: 在 accessOuterPrivateField() 方法中, StaticNested 直接使用 getfield 指令來存取外部類別 OuterClassAfter11 的 privateField,而沒有呼叫任何橋接方法。
Nest:
- 靜態巢狀類別 (StaticNested) 的 Nest 成員身份: 即使 StaticNested 是靜態的,它依然屬於 OuterClassAfter11 的 Nest。這與傳統的 Java 內部類別概念稍有不同,因為過去靜態巢狀類別通常不被視為外部類別的「一部分」。
- 存取控制: Nest 關係讓內部類別可以更自然地存取外部類別的私有成員,而無需編譯器生成額外的橋接方法,提升了程式碼的效率和可讀性。
- this0 欄位,這是一個隱式的外部類別實例的引用,用於存取外部類別的成員。在巢狀存取控制中,這個引用仍然存在,但存取私有成員不再需要橋接方法。
- requireNonNull 方法: 在 main 方法中, java/util/Objects.requireNonNull 方法被用來檢測 OuterClassAfter11 的實例是否為空,確保在使用前是有效的物件。
小結
在 Java 11 及以後,由於 Nest 的概念,編譯器不再需要生成橋接方法:
- OuterClassAfter11 和 OuterClassAfter11StaticClass 被視為同一個 Nest 的成員。
- InnerClass 和 StaticClass 可以直接存取 OuterClassAfter11 的私有成員 privateField。
- 因此,編譯器不再需要自動生成 access$000 這種橋接方法,程式碼更加精簡,執行效率也更高。
四、Java 12 至 17 的相關演進
Java 11 引入巢狀存取控制之後,後續版本並沒有對此特性進行重大修改,這體現了該機制的成熟和穩定性。Java 12 至 17 延續了這一機制,確保了程式碼的穩定性和高效性。這些版本主要關注在其他方面的語言特性和效能優化,而巢狀存取控制已經相對完善。具體來說:
- 持續穩定性: 雖然 Java 12 至 17 沒有針對巢狀存取控制引入重大變更,但這些版本在 JVM 層面持續優化,確保了 Nest-Based Access Control 的穩定性和效能。
- 與其他特性的互動: Nest-Based Access Control 是一個底層機制,它與 Java 後續版本中引入的其他語言特性 (如 Record、Sealed Class) 相容良好。開發者可以安全地在這些新特性中使用巢狀類別,享受 Nest 帶來的好處。
-
工具改進:
javap
工具在 Java 12 以後的版本中,對 Nest 相關資訊的輸出更加完整和易讀,方便開發者分析類別檔案。 - 效能提升: 後續版本對 JVM 的不斷優化,間接提升了使用巢狀存取控制的程式碼的執行效能。例如,JIT 編譯器可以更好地優化使用 Nest 的程式碼。
- 版本兼容性: 确保 Java 11 及之后編譯的代碼,在不同版本的 JVM 上運行都具有良好的兼容性,無需額外處理。
- 沒有新屬性: Java 12 至 17 没有引入新的類別文件屬性來擴展巢狀存取控制,說明 Java 11 引入的機制已经足够完整且满足需求。
總結來說,Java 12 至 17 的演進,主要是對 Java 11 引入的巢狀存取控制機制的穩定性和效能做進一步的保證,並將其融入到後續版本的新特性中。
五、總結
Java 11 引入的巢狀存取控制 (Nest-Based Access Control) 是一項重要的改進,解決了舊有巢狀類別存取機制中的問題,帶來了以下優點:
- 消除橋接方法: 編譯器不再需要生成橋接方法,程式碼更加清晰易懂,類別檔案也更加簡潔。這不僅減少了類別檔案的大小,也減少了開發者在除錯時的困擾。
- 提升存取效能: 巢狀類別可以直接存取外部類別的私有成員,無需經過中轉,提高了運行效率。在效能敏感的程式碼中,這種優化尤為重要。
- 簡化虛擬機行為: 虛擬機的載入和執行流程得到簡化,提高了效率和可維護性。
- 更自然的存取模型: 讓內部類別和外部類別的關係更加緊密,符合程式開發者的直覺。
- 促進設計模式: 巢狀類別常常用於實現特定設計模式,Nest-Based Access Control 使得這些模式的實現更加有效率。
- 對微服務架構的影響: 雖然 Nest 主要是語言層面的機制,但其在微服務架構中也有應用,例如,服務內的私有類別之間的存取更加高效。
- 鼓勵程式碼模組化: 鼓勵開發者合理使用巢狀類別,提高程式碼的模組化和可維護性。
- 現代Java開發的必要知識: 理解 Nest-Based Access Control 是現代 Java 開發者的基本要求,有助於編寫更高效、更可靠的程式碼。
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除錯優化:
javap
工具不僅是分析工具,更是除錯與效能調優的利器,透過觀察 bytecode 可以更深入理解程式碼的行為。
從 Java 11 開始,巢狀存取控制機制在 Java 語言中成為標準,並且在 Java 12 至 17 中持續得到應用,這證明了這項改進的價值和重要性。開發者應當理解巢狀存取控制的原理,以撰寫更高效、更易於維護的 Java 程式碼。
此外,使用
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工具檢視 bytecode 文件,能夠幫助我們更深入地理解底層實現,對於除錯或優化程式碼都有很大的幫助。
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