JDK 23 功能預覽：JEP 466 Class-File API 類別檔案存取

在 Java 開發生態系統中，類別檔案（Class File）的處理一直是重要但複雜的議題。JDK 23 中的 JEP 466 提出了標準化的 API，旨在簡化 Java 開發者處理類別檔案的工作流程，包括解析、生成和轉換等操作。

新的 API 不僅提供了更高層次的抽象層與更友善的介面，還透過現代 Java 語言特性的運用，為開發者帶來更直觀且更安全的類別檔案處理方式。本文簡介這項重要的預覽 API 更新，並說明它如何改善當前的開發體驗。

前言

在 Java 中，許多框架和工具都需要處理類別檔案，我們可以說它是 Java 生態系統的通用語言。解析、生成和轉換類別檔案的需求無處不在，我們可以使用獨立的工具和程式庫去檢查和擴展程式，而不會危及原始碼的可維護性。

目前有許多用於解析和生成類別檔案的程式庫，每個程式庫都有不同的設計目標、優點和缺點。處理類別檔案的框架通常會使用某個類別檔案程式庫，例如 ASM、BCEL 或 Javassist。然而，這些常用的解決方案存在著一些明顯的問題。

為何需要新的類別檔案 API？

首先，現有的工具都有其特定的設計目標和限制，導致開發者需要在不同場景下根據需求而選擇不同的工具。

更關鍵的是，隨著 Java 平台採用六個月一次的發布週期，類別檔案格式的演進速度比過去更快。近年來，類別檔案格式已經發展到支援密封類別、動態常量和巢狀成員。這種趨勢將隨著即將推出的功能（如值類別和泛型方法特化）而繼續下去。這意味著框架開發者經常會遇到比其所使用的類別檔案函式庫更新的類別檔案，造成版本不相容的問題。

此外，JDK 本身在 javac 編譯器內部也有自己的類別檔案處理機制，需要依賴第三方的 ASM 函式庫來實現 jar 和 jlink 等工具和 lambda 表達式。JDK 使用第三方程式庫的這種依賴關係導致了新的類別檔案功能被延後支援，因為 JDK N 版本中的工具可能要等到 JDK N+1 才能完整支援 JDK N 中的新功能。

Java 平台應該定義和實現一個與類別檔案格式一起發展的標準類別檔案 API。平台的組件將能夠僅依賴於此 API，而不是永遠依賴於協力廠商開發人員更新和測試他們的類別檔案程式庫的意願。使用標準 API 的框架和工具將自動支援來自最新 JDK 的類別檔案，以便可以快速輕鬆地採用具有類別檔案表示形式的新語言和 VM 功能。

JEP 466 概觀

本功能是為了要提供一個標準化的 Java API，用於解析、生成和轉換 Java 類別檔案（.class）。它可以簡化處理類別檔案的任務，使開發人員能夠更輕鬆地讀取、修改和創建類別檔案，並且同時能確保與 Java 虛擬機器規格的一致性：

解析：將類別檔案中的資訊（例如常數池、欄位、方法、屬性等）表示為不可變的 Java 物件，方便開發人員進行存取和操作
生成：提供建構器（Builder）來協助開發人員逐步構建類別檔案，並將其寫入輸出串流或檔案
轉換：允許開發人員修改現有的類別檔案，例如替換或刪除其中的元素

優點

標準化：提供官方支援的 API，取代過去非標準或第三方函式庫，提高了程式碼的可移植性和可維護性
安全性：透過使用不可變物件來表示類別檔案的元素，有助於防止意外修改和確保數據的完整性
易用性：提供了更高級別的抽象和友善的 API，降低了處理類別檔案的複雜度
靈活性：支援對類別檔案進行各種操作，例如解析、生成和轉換，滿足了不同開發場景的需求

缺點

效能：相較於底層的位元組碼操作，使用 Class-File API 可能會引入一些額外的開銷
學習曲線：對於不熟悉類別檔案結構和位元組碼的開發人員來說，會需要一定的學習成本

介紹

Class-File API 位於 java.lang.classfile 套件及其子套件中。它定義了三個主要抽象概念：

元素（Element）：用以描述類別檔案某部分的不可變物件。它可以是指令、屬性、欄位、方法或整個類別檔案。某些元素是複合元素，除了本身是元素外，還包含其他元素。
建構器（Builder）：每個複合元素類型都有相對應的建構器，並有特定的構建方法（例如，ClassBuilder::withMethod），並且也是相應元素類型的 Consumer。
轉換（Transform）：表示一個函式，它接受一個元素和一個建構器，並調解該元素如何（如果有的話）被轉換為其他元素。

以下是一個簡單的程式範例，展示如何使用這個 API 來轉換類別檔案：

ClassFile cf = ClassFile.of();
ClassModel classModel = cf.parse(bytes);
byte[] newBytes = cf.transform(classModel, (classBuilder, ce) -> {
    if (ce instanceof MethodModel mm) {
        classBuilder.transformMethod(mm, (methodBuilder, me)-> {
            if (me instanceof CodeModel cm) {
                methodBuilder.transformCode(cm, (codeBuilder, e) -> {
                    // 在此處理程式碼轉換邏輯
                    codeBuilder.with(e);
                });
            }
            else
                methodBuilder.with(me);
        });
    }
    else
        classBuilder.with(ce);
});