Scala 中的模式匹配是如何在字节码级别实现的？

Question

Scala 中的模式匹配是如何在字节码级别实现的？

它像一系列if (x instanceof Foo)构造，还是其他什么？ 它的性能影响是什么？

例如，给定以下代码（来自Scala By Example第 46-48 页）， eval方法的等效 Java 代码是什么样的？

abstract class Expr
case class Number(n: Int) extends Expr
case class Sum(e1: Expr, e2: Expr) extends Expr

def eval(e: Expr): Int = e match {
  case Number(x) => x
  case Sum(l, r) => eval(l) + eval(r)
}

PS 我可以阅读 Java 字节码，所以字节码表示对我来说已经足够了，但对于其他读者来说，了解它作为 Java 代码的样子可能会更好。

PPS Scala 编程这本书是否回答了这个问题以及关于 Scala 是如何实现的类似问题？ 我已经订购了这本书，但还没有到。

Answer 1

可以使用反汇编器探索低级别，但简短的回答是它是一堆 if/else，其中谓词取决于模式

case Sum(l,r) // instance of check followed by fetching the two arguments and assigning to two variables l and r but see below about custom extractors 
case "hello" // equality check
case _ : Foo // instance of check
case x => // assignment to a fresh variable
case _ => // do nothing, this is the tail else on the if/else

你可以用像“case Foo(45, x)”这样的模式或模式和组合做更多的事情，但通常这些只是我刚刚描述的逻辑扩展。 模式也可以有守卫，这是对谓词的额外约束。 也有编译器可以优化模式匹配的情况，例如，当情况之间有一些重叠时，它可能会合并一些东西。 高级模式和优化是编译器中的一个活跃工作领域，因此如果字节码在当前和未来版本的 Scala 中比这些基本规则有显着改进，请不要感到惊讶。

除此之外，您可以编写自己的自定义提取器，以补充或代替 Scala 用于案例类的默认提取器。 如果这样做，那么模式匹配的成本就是提取器所做的任何事情的成本。 在http://lamp.epfl.ch/~emir/written/MatchingObjectsWithPatterns-TR.pdf 中有一个很好的概述

Answer 2

詹姆斯（上）说得最好。 但是，如果您很好奇，查看反汇编的字节码总是一个很好的练习。 您还可以使用-print选项调用scalac ，该选项将在删除所有 Scala 特定功能的情况下打印您的程序。 它基本上是披着 Scala 外衣的 Java。 这是您提供的代码片段的相关scalac -print输出：

def eval(e: Expr): Int = {
  <synthetic> val temp10: Expr = e;
  if (temp10.$isInstanceOf[Number]())
    temp10.$asInstanceOf[Number]().n()
  else
    if (temp10.$isInstanceOf[Sum]())
      {
        <synthetic> val temp13: Sum = temp10.$asInstanceOf[Sum]();
        Main.this.eval(temp13.e1()).+(Main.this.eval(temp13.e2()))
      }
    else
      throw new MatchError(temp10)
};

Answer 3

从 2.8 版开始，Scala 有了@switch注释。 目标是确保模式匹配将被编译到tableswitch 或 lookupswitch 中，而不是一系列条件if语句。

Answer 4

扩展@Zifre 的评论：如果您将来正在阅读本文，并且 Scala 编译器采用了新的编译策略，并且您想知道它们是什么，那么您可以通过以下方式了解它的作用。

将您的match代码复制粘贴到一个独立的示例文件中。 在该文件上运行scalac 。 然后运行javap -v -c theClassName$.class 。

例如，我将以下内容放入/tmp/question.scala ：

object question {
  abstract class Expr
  case class Number(n: Int) extends Expr
  case class Sum(e1: Expr, e2: Expr) extends Expr

  def eval(e: Expr): Int = e match {
    case Number(x) => x
    case Sum(l, r) => eval(l) + eval(r)
  }
}

然后我运行scalac question.scala ，它产生了一堆*.class文件。 稍微翻了一下，我在question$.class找到了 match 语句。 下面提供了javap -c -v question$.class输出。

由于我们正在寻找条件控制流构造，因此了解 java 字节码指令集表明寻找“if”应该是一个很好的起点。

在两个位置，我们在表单isinstanceof <something>; ifeq <somewhere>上找到了一对连续的行isinstanceof <something>; ifeq <somewhere> isinstanceof <something>; ifeq <somewhere> ，这意味着：如果最近计算的值不是something的实例，则转到somewhere 。 （ ifeq是jump if zero ， isinstanceof给你一个零来表示假。）

如果您遵循控制流程，您会发现它与@Jorge Ortiz 给出的答案一致：我们这样做if (blah isinstanceof something) { ... } else if (blah isinstanceof somethingelse) { ... } 。

这是javap -c -v question$.class输出：

Classfile /tmp/question$.class
  Last modified Nov 20, 2020; size 956 bytes
  MD5 checksum cfc788d4c847dad0863a797d980ad2f3
  Compiled from "question.scala"
public final class question$
  minor version: 0
  major version: 50
  flags: (0x0031) ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
  this_class: #2                          // question$
  super_class: #4                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 1, methods: 3, attributes: 4
Constant pool:
   #1 = Utf8               question$
   #2 = Class              #1             // question$
   #3 = Utf8               java/lang/Object
   #4 = Class              #3             // java/lang/Object
   #5 = Utf8               question.scala
   #6 = Utf8               MODULE$
   #7 = Utf8               Lquestion$;
   #8 = Utf8               <clinit>
   #9 = Utf8               ()V
  #10 = Utf8               <init>
  #11 = NameAndType        #10:#9         // "<init>":()V
  #12 = Methodref          #2.#11         // question$."<init>":()V
  #13 = Utf8               eval
  #14 = Utf8               (Lquestion$Expr;)I
  #15 = Utf8               question$Number
  #16 = Class              #15            // question$Number
  #17 = Utf8               n
  #18 = Utf8               ()I
  #19 = NameAndType        #17:#18        // n:()I
  #20 = Methodref          #16.#19        // question$Number.n:()I
  #21 = Utf8               question$Sum
  #22 = Class              #21            // question$Sum
  #23 = Utf8               e1
  #24 = Utf8               ()Lquestion$Expr;
  #25 = NameAndType        #23:#24        // e1:()Lquestion$Expr;
  #26 = Methodref          #22.#25        // question$Sum.e1:()Lquestion$Expr;
  #27 = Utf8               e2
  #28 = NameAndType        #27:#24        // e2:()Lquestion$Expr;
  #29 = Methodref          #22.#28        // question$Sum.e2:()Lquestion$Expr;
  #30 = NameAndType        #13:#14        // eval:(Lquestion$Expr;)I
  #31 = Methodref          #2.#30         // question$.eval:(Lquestion$Expr;)I
  #32 = Utf8               scala/MatchError
  #33 = Class              #32            // scala/MatchError
  #34 = Utf8               (Ljava/lang/Object;)V
  #35 = NameAndType        #10:#34        // "<init>":(Ljava/lang/Object;)V
  #36 = Methodref          #33.#35        // scala/MatchError."<init>":(Ljava/lang/Object;)V
  #37 = Utf8               this
  #38 = Utf8               e
  #39 = Utf8               Lquestion$Expr;
  #40 = Utf8               x
  #41 = Utf8               I
  #42 = Utf8               l
  #43 = Utf8               r
  #44 = Utf8               question$Expr
  #45 = Class              #44            // question$Expr
  #46 = Methodref          #4.#11         // java/lang/Object."<init>":()V
  #47 = NameAndType        #6:#7          // MODULE$:Lquestion$;
  #48 = Fieldref           #2.#47         // question$.MODULE$:Lquestion$;
  #49 = Utf8               question
  #50 = Class              #49            // question
  #51 = Utf8               Sum
  #52 = Utf8               Expr
  #53 = Utf8               Number
  #54 = Utf8               Code
  #55 = Utf8               LocalVariableTable
  #56 = Utf8               LineNumberTable
  #57 = Utf8               StackMapTable
  #58 = Utf8               SourceFile
  #59 = Utf8               InnerClasses
  #60 = Utf8               ScalaInlineInfo
  #61 = Utf8               Scala
{
  public static final question$ MODULE$;
    descriptor: Lquestion$;
    flags: (0x0019) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL

  public static {};
    descriptor: ()V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: new           #2                  // class question$
         3: invokespecial #12                 // Method "<init>":()V
         6: return

  public int eval(question$Expr);
    descriptor: (Lquestion$Expr;)I
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=9, args_size=2
         0: aload_1
         1: astore_2
         2: aload_2
         3: instanceof    #16                 // class question$Number
         6: ifeq          27
         9: aload_2
        10: checkcast     #16                 // class question$Number
        13: astore_3
        14: aload_3
        15: invokevirtual #20                 // Method question$Number.n:()I
        18: istore        4
        20: iload         4
        22: istore        5
        24: goto          69
        27: aload_2
        28: instanceof    #22                 // class question$Sum
        31: ifeq          72
        34: aload_2
        35: checkcast     #22                 // class question$Sum
        38: astore        6
        40: aload         6
        42: invokevirtual #26                 // Method question$Sum.e1:()Lquestion$Expr;
        45: astore        7
        47: aload         6
        49: invokevirtual #29                 // Method question$Sum.e2:()Lquestion$Expr;
        52: astore        8
        54: aload_0
        55: aload         7
        57: invokevirtual #31                 // Method eval:(Lquestion$Expr;)I
        60: aload_0
        61: aload         8
        63: invokevirtual #31                 // Method eval:(Lquestion$Expr;)I
        66: iadd
        67: istore        5
        69: iload         5
        71: ireturn
        72: new           #33                 // class scala/MatchError
        75: dup
        76: aload_2
        77: invokespecial #36                 // Method scala/MatchError."<init>":(Ljava/lang/Object;)V
        80: athrow
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      81     0  this   Lquestion$;
            0      81     1     e   Lquestion$Expr;
           20      61     4     x   I
           47      34     7     l   Lquestion$Expr;
           54      27     8     r   Lquestion$Expr;
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 2
        line 8: 27
        line 6: 69
      StackMapTable: number_of_entries = 3
        frame_type = 252 /* append */
          offset_delta = 27
          locals = [ class question$Expr ]
        frame_type = 254 /* append */
          offset_delta = 41
          locals = [ top, top, int ]
        frame_type = 248 /* chop */
          offset_delta = 2
}
SourceFile: "question.scala"
InnerClasses:
  public static #51= #22 of #50;          // Sum=class question$Sum of class question
  public static abstract #52= #45 of #50; // Expr=class question$Expr of class question
  public static #53= #16 of #50;          // Number=class question$Number of class question
  ScalaInlineInfo: length = 0xE (unknown attribute)
   01 01 00 02 00 0A 00 09 01 00 0D 00 0E 01
  Scala: length = 0x0 (unknown attribute)