JDK8 中的類型推斷與重載解析

首先從一個例子開始：

下面這段代碼，在 JDK6u30 中可以正常工作，但是在 JDK8u65 中會運行失敗，提示類型轉換錯誤，ClassCastException。

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.String cannot be cast to [C 

我看了一下字節碼，泛型函數推出的返回值都是 Object。然而 JDK8 中調用重載過的函數時，選擇了 String valueOf(char data[])，本來應該選擇 String.valueOf(Object obj)，JDK6就是這麼做的，為什麼到 JDK8 反而選擇了一個錯誤的函數呢？

public class TestTypeInference {
    public static <T> T get() {
        return (T) "x";
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.valueOf(get()));
    }

// JDK6: 
// INVOKESTATIC TestTypeInference.get ()Ljava/lang/Object;
// INVOKESTATIC java/lang/String.valueOf (Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;

// JDK8:  
// INVOKESTATIC TestTypeInference.get ()Ljava/lang/Object;
// CHECKCAST [C
// INVOKESTATIC java/lang/String.valueOf ([C)Ljava/lang/String;
}

這個問題困擾了我很久，也沒有人可以回答我，只好自己去 javac 的源代碼裡找答案。

首先看 JDK6 中如何通過調試 javac 編譯上面的代碼。從 OpenJDK 上把 JDK6 的 源代碼 下下來，找到 javac 源代碼的入口 openjdk-6-src-b30-21_jan_2014\langtools\src\share\classes\com\sun\tools\javac\main\Main.java，一層一層調試下去。發現關鍵的地方有兩個：

• 對 get() 返回類型的推斷
• 對 String.valueOf 這個重載方法的選擇

在 JDK6 中，直接推斷出 get() 的返回類型是 Object，然後對 String.valueOf 的所有方法進行遍歷，找到可以將 Object 作為參數的那個方法。最終選擇了 String.valueOf(Object)。

推斷 get() 返回值類型的入口位於 com.sun.tools.javac.comp.Attr#visitApply 方法中：

argtypes = attribArgs(tree.args, localEnv);

其中 tree.args 此時就是 get() 方法。

而最終將 Object 作為 get() 的返回類型，而位於 com.sun.tools.javac.comp.Check#instantiatePoly 方法，

Type newpt = t.qtype.tag <= VOID ? t.qtype : syms.objectType;

其中 t 指的是 get 的返回類型 T，syms.objectType 指的就是 Object 方法。

遍歷方法，選擇 String.valueOf 的過程在 com/sun/tools/javac/comp/Resolve.java 的 findMethod 中。String.valueOf 的每個方法的參數，都會與 get 的返回類型，即 Object 進行匹配檢查，方法是 com/sun/tools/javac/code/Types.java:isSubtype。例如，檢查 String.valueOf(double) 方法時，會檢查 double 與 Object 是否匹配。匹配的邏輯是：

• double 是否與 Object 相等
• Object 是否是 double 子類型

最終，會選擇 String.valueOf(Object)。

而在 JDK8 中，問題變得比較復雜。

JDK8 入口為 com.sun.tools.javac.Main#main

JDK8 中不會推出 get 方法的返回類型為 Object，而是先設置一個 DeferredAttr.DeferredType。然後遍歷 String.valueOf 的每個方法。假如當前檢查的是 String.valueOf(double)。那麼結合 double 和 get 的返回類型 T，推出 T 的類型為 Double。這個過程，最終會在 com.sun.tools.javac.comp.Infer#generateReturnConstraintsPrimitive 中體現，返回的是 double 的裝箱類型 Double。

之後會檢查：

• double 是否與 Double 相等。
• Double 是否是 double 的子類型。

這個過程會在 com.sun.tools.javac.comp.Check#checkType(com.sun.tools.javac.util.JCDiagnostic.DiagnosticPosition, com.sun.tools.javac.code.Type, com.sun.tools.javac.code.Type, com.sun.tools.javac.comp.Check.CheckContext) 函數中的 checkContext.compatible 進行檢查。

這時候，會發現，只有 String.valueOf(char[]) 和 String.valueOf(Object) 滿足了條件。並且 char[] 是 Object 的子類型，即是更具體的類型。所以，最終選擇了 String.valueOf(char[])。檢查更具體類型的代碼在 com.sun.tools.javac.comp.Resolve#mostSpecific，最終調用的也是com.sun.tools.javac.comp.Check#checkType(com.sun.tools.javac.util.JCDiagnostic.DiagnosticPosition, com.sun.tools.javac.code.Type, com.sun.tools.javac.code.Type, com.sun.tools.javac.comp.Check.CheckContext) 函數方法。檢查 Object 是否是 char[] 的子類型，char[] 是否是 Object 的子類型。以此判斷哪個類型更為具體。

不過在最開始，我們看字節碼時，看出在 JDK8 中，get() 返回的類型應該與 JDK6 中一樣，都是 Object, 不過在上述的語義分析過程中，看出 get() 返回的是 char[]。所以接下來，我們看在編譯的其它階段是不是發生了什麼。

在此之前，我們先來看一下編譯過程的入口, com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler#compile2。

下面的代碼是編譯的入口:

generate(desugar(flow(attribute(todo.remove()))));

我們剛才講的都是在 attribute 函數中發生的過程。

接下來，進入 flow 函數，在由 attribute 函數生成的樹上做數據流分析，主要分成四個功能：

• AliveAnalyzer: 語句是否可達
• AssignAnalyzer: 變量使用時已經賦值；final 變量沒有被多次賦值
• FlowAnalyzer: checked 異常是否被聲明及拋出
• CaptureAnalyzer: lambda 表達式或者內部類引用的局部變量要是 final

然後是 desugar，看起來是不是挺像解除語法糖的。這個過程會對類進行變換。把 get() 的返回類型由 char[] 變為 Object 的過程，就在這個函數中。最終是由 com.sun.tools.javac.tree.TreeTranslator#translate(T) 這個函數完成。

其中函數 get 會被變換：

    public static <T> T get() {
        return (T) "x";
    }

會變成

    public static Object get() {
        return (Object) "x";
    }

同時，String.valueOf(get()) 中的 get() 方法，其類型 char[] 也會變成 Object。這個過程在 com.sun.tools.javac.comp.TransTypes#retype 中完成。

// tree: get(); erasedType: java.lang.Object; target: char[]
JCExpression retype(JCExpression tree, Type erasedType, Type target) {
..
}

由於 get() 返回類型為 T，所以這個函數會把 T 換成 Object，同時插入一條指令，將 Object 轉換成 char[]。

retype 的本意如下面這個例子所示：

class Cell<A> { A value; }
Cell<Integer> cell;
Integer x = cell.value;

此時，會將 cell.value 返回值設置成 Object, 並且插入強制類型轉換的指令。

但是在我們這次分析的情況中，get() 的返回類型 T 已經被推斷出是 char[]，為什麼又因為其定義是 T，然後被擦除，變為 Object 呢？這樣一來，String.valueOf 選擇了 String.valueOf(char[])，而 get() 的類型是 Object，又要強制轉化成 char[]。既然如此，為什麼不選擇 String.valueOf(Object) 呢？感覺像個 bug 啊。我現在也不能理解為什麼要這麼做。

最後是 generate，生成字節碼。生成 get() 字節碼的源代碼位於 com.sun.tools.javac.jvm.Gen#genExpr，此時參數 tree 為 get()，pt 為 char[]。生成 get() 字節碼時，其返回類型已為 Object，而非 char[]。

最後總結一下文中最開始時提到的兩個問題：

• 對 get() 返回類型的推斷
• 對 String.valueOf 這個重載方法的選擇

在 JDK6 中

• get() 返回類型直接設置為 Object
• String.valueOf 選擇了 String.valueOf(Object)
• String.valueOf 與 get() 匹配

在 JDK8 中

• get() 返���類型先設置為 DeferredAttr.DeferredType
• 遍歷 String.valueOf 的方法，在滿足條件的 String.valueOf(Object) 和 String.valueOf(char[]) 中選擇更為具體的 String.valueOf(char[])，get() 的返回類型也為 char[]
• get() 的返回類型在 desugar 階段被擦除，設置為 Object，同時強制轉為 char[]