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建议阅读前置提案（JEP 草案：原始对象）后阅读。

该 JEP 还处于草案状态，后续可能发生更改，仅供参考。因为前置的 JEP 390 已经进入 Java 16，本 JEP 有望近期进入主线。

更新：

该草案今天（2021/03/18）成为正式 JEP，从 Java 17 开始 Preview 的可能性不小，敬请期待。

摘要

通过将基本值（int、double 等类型的值）建模为原始类（参见JEP 草案：原始对象）的实例，将基本值与对象统一。

目标

这个 JEP 包括以下内容：

  • 库更改：将 8 个包装类（java.lang.Integer、java.lang.Double 等）迁移为偏引用原始类。
  • 语言更改：将基本值视为迁移后包装类的实例，将基本类型关键字（int、double 等）视为对应原始值类型的别名；支持方法调用、原始引用转换和对应的类型协变。
  • JVM 更改：将基本数组类型视为相应的原始对象数组类型。
  • 核心反射更改：修改 8 个 表示基本类型的 Class 对象（int.class、double.class 等）的行为，对它们对应的类进行建模。

非目标

原始对象和原始类的核心功能在 JEP 草案：原始对象 中介绍，本 JEP 值关注将这些特性应用于 8 个基本类型。

这个 JEP 没有处理原始值类型（包括 int、double 等）与 Java 泛型的交互。独立的 JEP 将解决将原始值类型作为类型参数的需求，并优化其性能。

这个 JEP 没有析出新的数字原始类型，也没有为 Java 的一元或二元运算符提供新的功能。

动机

Java 是一种面向对象的编程语言，但是它的基本值——布尔值、整数和浮点数——都不是对象。在创建语言时这是一种明智的设计选择，因为每个对象都要进行间接寻址，有着大量额外开销。但是这意味着基本值不支持对象的一些有用特性，比如实例方法、子类型和泛型。

为了解决这些问题，标准库为每个基本类型提供了包装类（wrapped class），每个包装类提供将对应基本类型存储在对象内的能力。Java 5 中有引入了隐式的装箱和拆箱操作，根据程序的需求，在基本值和包装类实例之间透明地相互转换。

但是包装类这个解决方案并不完善。它并没有完全隐藏转换的影响，例如将同一个值装箱两次可能产生两个彼此不 == 的对象。更重要的是，在很多程序中，将基本值包装在对象中会产生巨大的运行时开销，程序员必须权衡这些开销与表达能力带来的好处。

由 JEP 草案：原始对象 引入了原始对象特性后消除了将 identity-free 值建模为对象的开销。因此现在我们可以在所有上下文中将基本值视为第一等对象。最后，我们可以说所有值都是对象！

每个原始对象都需要一个原始类；int 值应该属于哪个类？很多现有代码都假定了基本类型属于其包装类的对象模型。由于不再需要装箱基本值，我们可以重新调整包装类的用途——将 int 值视为 java.lang.Integer 的实例，将 boolean 值视为 java.lang.Boolean 的实例等。

通过使用原始类定义基本类型，我们可以为它们提供实例方法，并将它们集成进子类型图中。原始值类型与泛型的互操作性将在一个独立的 JEP 中实现。

描述

基本原始类

8 个基本原始类（basic primitive classes）如下：

  • java.lang.Boolean
  • java.lang.Character
  • java.lang.Byte
  • java.lang.Short
  • java.lang.Integer
  • java.lang.Long
  • java.lang.Float
  • java.lang.Double

编译器和引导类加载器使用特殊的逻辑定位这些类文件；启用预览功能后，将会查找到这些类修改后的版本。

修改后的版本为原始类。它们属于偏引用原始类，这意味着名称 Integer、Double 等将继续表示引用类型。

这些类的 public 构造函数在 Java 16 中被弃用。为了避免一些二进制兼容问题（identity 类和原始类构造器编译后行为不一致），修改后的类的构造器是 private 的。

Java 语言模型

8 个基本类型关键字（boolean、char、byte、short、int、long、float 和 double）现在是基本原始类对应的原始值类型的别名。.ref 语法可以用于表示相应的引用类型。

因为这些关键字是别名，所以每个原始类类型、原始值类型和原始引用类型都有两种方法表示，如下表所示：

原始类 值类型 引用类型
boolean 或 Boolean boolean 或 Boolean.val boolean.ref 或 Boolean
char 或 Character char 或 Character.val char.ref 或 Character
byte 或 Byte byte 或 Byte.val byte.ref 或 Byte
short 或 Short short 或 Short.val short.ref 或 Short
int 或 Integer int 或 Integer.val int.ref 或 Integer
long 或 Long long 或 Long.val long.ref 或 Long
float 或 Float float 或 Float.val float.ref 或 Float
double 或 Double double 或 Double.val double.ref 或 Double

代码风格问题上，使用小写、以关键字为基础的表示方法是首选。

对于原始类声明的限制在基本原始类上有一个特例：允许基本原始类递归地声明一个自身类型的实例字段（例如 int 类有一个 int 类型的字段）。

Java 支持一些不同基本值类型之间的转换，例如 int 可以转换为 double；这些行为没有改变。为了清晰起见，我们现在称之为 widening numeric conversions 和 narrowing numeric conversions。引用类型（例如 int.ref 和 double.ref）之间没有类似的转换。

装箱和拆箱操作现在被原始类的原始引用转换和原始值转换取代。它们支持的类型相同，但是运行时效率更高。

Java 提供了一些一元和二元操作符操作基本值，这些操作不变。

因为基本原始值是对象，所以它们也拥有类声明中定义的那些实例方法。23.compareTo(42) 这样的语法现在是合法的。（TODO：这会不会引入解析问题？ equals 和 compareTo 这样的行为有意义吗？）

与其他原始值类型一样，基本原始值类型的数组是协变的：现在 int[] 是 int.ref[]、Number[] 等类型的子类型。

编译和运行时

在 JVM 中，基本原始类型与原始类类型不同：类型 D 表示 64 位的浮点值，占用两个栈 slot，并支持一套专用操作（dload、dstore、dadd、dcmpg 等），而类型 Qjava/lang/Double$val; 表示 Double 类型的原始对象，这些原始对象只占用单个栈 slot，并接受对象操作（aload、astore、invokevirtual 等）。

Java 编译器负责根据需求，通过调用类似 Double.valueOf 和 Double.doubleValue 的方法，将值在两个类型之间互相转换。生成的字节码类似装箱和拆箱操作，但是运行时开销大大减小。

为了保持一致性，字段类型和方法签名中出现的基本原始值类型总是转化为基本 JVM 类型（例如 double 表示为 D 而不是 Qjava/lang/Double$val;）。

对于基本原始数组，仅使用编译器转换并不充足。例如，使用 newarray 创建的 [D 类型数组可以传递给接受 [Ljava/lang/Double; 参数的函数；使用 anewarray 创建的 [Qjava/lang/Double$val; 可以转换为类型 [D。为了支持这种行为，JVM 将类型 [D 和 [Qjava/lang/Double$val; 视为彼此兼容的，可以在其中任意一个上同时使用两类操作（daload 和 aaload，dastore 和aastore），无需关心数组是如何创建的。

反射

对于每个基本原始类，程序员通常会遇到两个 Class 对象。以类 double 为例，它们是：

  • double.class（等价于 Double.val.class），对应于 JVM 描述符类型 D。调用 isPrimitive 方法返回 true。启用预览功能后，为了和语言模型一致，此对象使用 java.lang.Double$val 类的声明响应大多数查询（getMethods，getSuperclass 等）。
  • Double.class（等价于 double.ref.class），对应于 JVM 描述符类型 Ljava/lang/Double;。调用 isPrimitive 方法返回 false。其行为类似于标准的对原始引用类型建模的 Class 对象。

对基本原始对象调用 getClass 方法返回的 Class 对象属于第一种——double.class、int.class 等。与所有基本对象相同，无论是通过值类型（(23.0).getClass()）还是引用类型（((Double) 23.0).getClass()）调用 getClass() 都会返回相同的结果。这个行为发生了变化，可能会破坏一些程序——val.getClass().equals(Double.class) 不是 val instanceof Double 安全的替代品。

第三个 Class 对象存在，对应于 JVM 描述符类型 Qjava/lang/Double$val;，但实践中很少用到，因为 Java 编译器从不在描述符中使用这个名称。这个对象没有对应的类字面量。调用 isPrimitive 方法返回 false。其行为类似于标准的对原始值类型建模的 Class 对象。

选择

语言可以保持不变——原始对象是一个有用的功能，它不需要将基本值视为对象。但是消除基本值和对象之间差别是有用的，特别是 Java 的泛型将会被增强以处理原始对象。

可以引入新的类作为基本原始类（比如说 java.lang.int），将包装类作为遗留 API 放弃。但是，关于装箱行为的一些假设在代码中根深蒂固，一组新的类会破坏这些程序。

JVM 可以完全统一基本原始类型（I、D 等）与其对应的原始类类型（Qjava/lang/Integer$val;、Qjava/lang/Double$val; 等）之间的差别，但这是一个代价高昂的变化，最终几乎没有什么好处。例如，必须有一种方法来协调占用两个栈 slot 的D 类型与占用一个栈 slot 的 Qjava/lang/Double$val; 类型，可能要对类文件格式进行破坏性的更高。

风险和假设

删除包装类的构造函数破坏了传统 Java 程序一个重要子集的二进制兼容性。迁移到原始类也会产生一些行为变化。JEP 390 以及预期中的一些后续工作缓解了这些问题，但一些调用了构造函数或依赖于装箱对象 identity 的程序会被破坏。

由于基本原始类型将会成为类类型，反射行为的一些变化可能会导致一些程序产生问题。而且对应于 Qjava/lang/Double$val; 的 Class 特殊类对象的存在很容易被忽略，可能会让程序员大吃一惊。

依赖

原始对象 JEP 是本 JEP 的前置条件。

JEP 390 向 javac 和 Hotspot 添加了包装类可能发生不兼容更改的警告。一些后续工作将在额外的 JEP 中进行。

我们将修改 Java 的泛型模型，使其类型参数更加通用——可以由所有类型实例化，包括引用类型和值类型。这将在独立的 JEP 中讨论。