JAVA11 新特性：Nest-Based Access Control

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JAVA11里有一个新特性，叫做 (JEP181) Nest-Based Access Control（基于嵌套的访问控制）。该 JEP 将是对 Java 平台的一次技术提升，新特性与 Java 的嵌套类息息相关，嵌套类也时常被不严格地称为“内部类”，因为内部类是嵌套类的唯一可能类型。

改进的嵌套类访问 #

说到嵌套其实大家都熟悉，就是在类型（类、接口、枚举）里再定义类型，通常也叫内部类。内部类的一大特点就是与外层的类联系紧密，可以互相访问私有成员，可以看做是访问控制的一种特例。但如果看过JAVA11之前的JVM规范的话就知道里面其实并没有允许这么做，无论是不是内部类都一视同仁，不能访问其它类的私有成员，比如可以试试在JAVA10及以前的JAVA上运行下面的代码：

java
public class Main {

	private static class Inner {
		private int value;
	}

	public static void main(String... args) {
		Field field = Inner.class.getDeclaredField("value");
		field.set(new Inner(), 123); // 抛出 IllegalAccessException
	}
}

但这与我们平时写的好像不一样，谁都知道可以在内部类中直接访问外部类的字段、方法等，那么平时一直使用的访问内部类私有成员是如何实现的呢？其实是编译器帮你生成了几个辅助方法，比如对Inner.value赋值的话，实际上生成的类是这样的：

java
public class Main {

	private static class Inner {

		private int value;

		// 自动生成的辅助方法
		static int access$102(Inner inner, int value) {
			inner.value = value;
			return value;
		}
	}

	public static void main(String... args) {
		var inner = new Inner();

		// inner.value = 123 会被转换成这样：
		Inner.access$102(inner, 123);
	}
}

access$102这个方法是package-private访问权限，使得能够在内部类中访问私有的成员（上面的代码省略了内部类的构造方法，实际上用private修饰的类默认的构造方法也是私有的，同样需要生成一个package-private的构造方法）。这样的做法虽然能够达到需求，但是却有很大的毛病：首先它与封装相违背，并且导致直接访问和反射具有了不同的权限，使用反射访问仍然会抛出异常，除非使用setAccessible关闭检查；其次如果访问的成员很多的话，每一个成员都要生成这样的方法，导致编译后的类变大。

另外如果访问时出现异常，其调用栈里会有access$xxx等无用的方法干扰视线。

这个问题终于在JAVA11中被解决掉了，使用JDK11以上编译出来的类中不再有这样的辅助方法，内部类的私有成员可以直接访问了。

JAVA10与JAVA11生成的代码对比JAVA10与JAVA11生成的代码对比

JAVA11的嵌套模型 #

为了实现直接访问，JAVA11修改了原有的规范，其中增加一条新的规则：

A field or method R is accessible to a class or interface D if and only if any of the following conditions are true:

  • ...
  • R is private and is declared in a different class or interface C, and C and D, are nestmates

其中提到了一个词：nestmates，nestmates指属于同一个顶层类型的所有类型（类、接口），也包括顶层类型自己，其中顶层类型又称为nest host。举例：

java
public class TopLevel {

	class Inner {
		class DeepInner {}
	}

	static final class StaticInner {}

	interface InnerInterface {}
}

在上面这个TopLevel类内部定义了4个类型，其中有一个DeepInner嵌套了两层。对于这5个类型（包括TopLevel类）来说，它们互为nestmates，它们的nest host都是TopLevel类。

数组、值类型和void没有内部成员，其nest host是自己，nestmates也只有自己。另外，Lambda表达式对象也被视为顶层类。

JAVA11在Class类里新增了3个方法用于访问nestmates信息：

nestmates相关的信息记录在编译后的class文件里，在JAVA11编译的class文件（版本55）里新增了两个属性NestHost和NestMembers，其中NestMembers记录在顶层类中，内部类则有一个NestHost属性记录了顶层类型。这些属性可以用javap -v查看，在输出的最下面：

class文件里的Nest信息class文件里的Nest信息

由于修改了类文件格式，对于一些需要在运行期解析或生成class文件的库来说是不兼容的更新，比如AspectJ，升级时不要忘了把这些库也升到最新版本。

对于旧版本的JAVA编译出的class文件来说，这些属性是不存在的，自然也就无法获取Nest相关的信息，但旧版的class文件也能在新版里运行。经测试，如果使用JAVA11运行旧版本编译的class文件，那么每个类型的nest host就是自己，无论是否嵌套在其它类中。顶层类型的nest member只有自身，对内部类型调用getNestMembers()将抛出一个IncompatibleClassChangeError。

其它的作用 #

该特性的实现修改了JVMS规范，这个改动还是比较大的，如果仅仅为了省去几个多余的方法未免太过麻烦。实际上该特性属于Valhalla项目的一部分，这个项目的主要目标之一是改进JAVA中的值类型和泛型。

JEP中提到，在未来将要实现的泛型特化（generic specialization）中，每个特化类型（specialized type）可被创建为泛型的一个 Nestmate。JAVA也在一步步填以前的坑，在未来，像List<int>这样的值类型泛型可能会生成特化的类，成为List<T>的一个Nestmate。

另外，这项特性可能会影响“密封类”（sealed classes），仅允许 Nestmate 的子类作为密封类。 密封类和真正私有类型的概念，对于使用 Scala 的开发人员并不陌生，它们可以实现模式匹配等有用的功能。

参考资料：

Java Nestmate 稳步推进：https://www.infoq.cn/article/2018%2F03%2FNestmates

Project Valhalla：https://wiki.openjdk.java.net/display/valhalla

Specification for JEP 181：https://cr.openjdk.java.net/~dlsmith/nestmates.html

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