学习Scala：孤立对象的实现原理

在关于Scala的第一篇文章学习Scala：从HelloWorld开始中，我们讲述了Scala的HelloWorld程序的执行原理。在Scala中，程序的入口使用孤立对象来实现，在这篇博客中，我们讲述了孤立对象是如何实现程序入口的，不管Scala和Java的语法差别多大，只要能以一定的方式实现标准的class文件入口类和入口函数，就能被JVM执行。感兴趣的读者可以移步这篇博客。

在《Scala编程》这本书中，把孤立对象和伴生对象都叫做单例对象。孤立对象指的是只有一个使用object关键字定义的对象，伴生对象是指有一个使用object关键字定义的对象，除此之外还有一个使用class关键字定义的同名类，这个同名的类叫做伴生类。在Scala中单例对象这个概念多少都会让人迷惑，按《Scala编程》这本书中的说法，使用object关键字修饰的对象就叫做单例对象。其实这里的单例和设计模式中的单例模式的概念并不尽相同。在Scala中没有静态的概念，所有的东西都是面向对象的。其实object单例对象只是对静态的一种封装而已，在class文件层面中，object单例对象就是用静态（static）来实现的。在本博客中会对这个概念进行详细讲述。除此之外，在本文中还会涉及一重要的概念，叫做虚构类（synthetic class）。

关于孤立对象的实现原理，学习Scala：从HelloWorld开始这篇文章已经讲解的差不多了，本博客可以看做对上一篇博客的补充。

我们还是以简单的例子开始：

object  Test {
	val a = "a string";
	def printString = println(a)
}

在这个孤立对象上，定义了一个属性和一个方法。在编译完成之后，会看到有两个class文件

也就是说，这个孤立对象也被编译成一个同名类Test 。除此之外，还有一个叫做Test$的类，这个以$结尾的类就是所谓的虚构类（synthetic class，《Scala编程》中将之翻译为虚构类）。

下面使用javap反编译Test.class , 得到如下结果（去掉了常量池等信息）：

public final class Test
  SourceFile: "Test.scala"
  RuntimeVisibleAnnotations:
    0: #6(#7=s#8)
    ScalaSig: length = 0x3
     05 00 00
  minor version: 0
  major version: 50
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER

{
  public static void printString();
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #16                 // Field Test$.MODULE$:LTest$;
         3: invokevirtual #18                 // Method Test$.printString:()V
         6: return


  public static java.lang.String a();
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #16                 // Field Test$.MODULE$:LTest$;
         3: invokevirtual #22                 // Method Test$.a:()Ljava/lang/String;
         6: areturn
}

由反编译的结果可以看出，源码中的属性a对应一个静态的同名方法a(), 源码中的方法printString也对应一个静态的同名方法printString()。静态方法a()调用Test$类中的静态字段MODULE$的a方法。静态方法printString()调用Test$类中的静态字段MODULE$的printString方法。如果用java来描述的话， Test类的逻辑是这样的：

public final class Test{


	public static java.lang.String a(){
		return Test$.MODULE$.a()
	}
	
	public static void printString(){
		Test$.MODULE$.printString()
	}
}

下面再看Test类的虚构类Test$的javap反编译结果：

public final class Test$
  SourceFile: "Test.scala"
    Scala: length = 0x0


  minor version: 0
  major version: 50
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER

{
  public static final Test$ MODULE$;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL

  private final java.lang.String a;
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_FINAL

  public static {};
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: new           #2                  // class Test$
         3: invokespecial #12                 // Method "<init>":()V
         6: return

  public java.lang.String a();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #17                 // Field a:Ljava/lang/String;
         4: areturn

  public void printString();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #24                 // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
         3: aload_0
         4: invokevirtual #26                 // Method a:()Ljava/lang/String;
         7: invokevirtual #30                 // Method scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
        10: return

  private Test$();
    flags: ACC_PRIVATE
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #31                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: putstatic     #33                 // Field MODULE$:LTest$;
         8: aload_0
         9: ldc           #35                 // String a string
        11: putfield      #17                 // Field a:Ljava/lang/String;
        14: return

}

首先看一下这个类里的内容。

首先，该类中有一个常量字段MODULE$，它的类型就是当前的虚构类Test$ 。

  public static final Test$ MODULE$;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL

编译器在Test$中默认添加了静态初始化方法，用于对静态字段MODULE$初始化：

  public static {};
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: new           #2                  // class Test$
         3: invokespecial #12                 // Method "<init>":()V
         6: return

源码中的字段a在Test$中对应一个非静态的字段a ，由于源码中的a是val的，所以在Test$中对应的a字段是final的

  private final java.lang.String a;
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_FINAL

在Test$中还有一个成员方法a()与字段a对应，这个方法的逻辑是返回a的值

  public java.lang.String a();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #17                 // Field a:Ljava/lang/String;
         4: areturn

源码中的方法printString对应Test$中的printString方法。这个方法的逻辑是调用方法a()获取字段a的值，并打印a的值。

  public void printString();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #24                 // Field scala/Predef$.MODULE$:Lscala/Predef$;
         3: aload_0
         4: invokevirtual #26                 // Method a:()Ljava/lang/String;
         7: invokevirtual #30                 // Method scala/Predef$.println:(Ljava/lang/Object;)V
        10: return

此外，编译器在Test$中还加入默认的构造方法，不过这个构造方法是私有的。无法为外部调用。如下：

  private Test$();
    flags: ACC_PRIVATE
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #31                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: putstatic     #33                 // Field MODULE$:LTest$;
         8: aload_0
         9: ldc           #35                 // String a string
        11: putfield      #17                 // Field a:Ljava/lang/String;
        14: return

如果用java代码描述的话，Test$的逻辑是这样的：

public final class Test${
	public static final Test$ MODULE$ = new Test$();

	private final String a = "a string";

 	public String a(){
		return a;
 	}

 	public void printString(){
		println(a());
 	}

 	private Test$(){}
}

由此可见，这个虚构类Test$是单例的。一方面，这个类是编译器默认生成的，在Scala代码中无法访问到。另一方面， Test$构造器私有了，只在内部创建了一个对象赋给了静态引用MODULE$ 。

所以，在Scala里面称用object关键字修饰的对象是单例对象，在实现的角度上看，并不是十分确切。虽然称之为对象，但是编译器确实为他生成了一个类，如上面例子中的object Test ，编译器确实生成了类Test。但是这个类中只有静态方法，即使是一个Scala中的字段，也对应一个静态方法，如上例中的字段a 。这个类中的静态方法会访问虚构类Test$中的静态成员Test$ MODULE$ ，使用这个对象可以调用Test$中的其他成员方法，Test$中的成员和源码中的成员相对应，只是会为源码中的字段添加同名方法。主要的处理逻辑实际上是在虚构类Test$中完成的， Test类只是作为一个入口。

下面是看一下Scala是如何实现对单例对象的调用的。首先写一个Scala的入口类：

object Main {
  //scala main 
  def main(args : Array[String]){
    Test.printString
  }
}

相同的原理，入口类Main也是单例对象，实现原理和Test是相同的。大部分的逻辑都在虚构类Main$中的成员方法main中实现的。反编译 Main$后的结果如下：

public final class Main$
  SourceFile: "Main.scala"
    Scala: length = 0x0
  minor version: 0
  major version: 50
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER

{
  public static final Main$ MODULE$;
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL

  public static {};
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: new           #2                  // class Main$
         3: invokespecial #12                 // Method "<init>":()V
         6: return

  public void main(java.lang.String[]);
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=2
         0: getstatic     #19                 // Field Test$.MODULE$:LTest$;
         3: invokevirtual #22                 // Method Test$.printString:()V
         6: return

  private Main$();
    flags: ACC_PRIVATE
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #26                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: putstatic     #28                 // Field MODULE$:LMain$;
         8: return
}

用Java代码实现如下：

public final class Main${
	public static final Main$ MODULE$ = new Main$();
	public void main(String[] args){
		Test$.MODULE$.printString();
	}

  	 private Main$(){}
}

由此可见，在Main$中的成员方法main中，直接调用了Test$.MODULE$.printString()方法，而绕过了Test类，这也是合理的，因为只有Test$才处理相关逻辑。

而Main.class用java代码表示如下：

public final class Main{
	public static void main(String[] args){
		Main$.MODULE$.main(args);
	}
}

做一下总结：

Main.class提供JVM的入口函数，在入口函数中调用Main$的成员方法main，而Main$的成员方法main又调用了Test$的成员方法printString来处理相关逻辑，即打印字符串。

单例对象的调用方式如下图所示：

学习Scala：孤立对象的实现原理

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