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夯实Java基础系列2:Java自动拆装箱里隐藏的秘密

2023-06-02 14:57

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本系列文章将整理到我在GitHub上的《Java面试指南》仓库,更多精彩内容请到我的仓库里查看

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本文是微信公众号【Java技术江湖】的《夯实Java基础系列博文》其中一篇,本文部分内容来源于网络,为了把本文主题讲得清晰透彻,也整合了很多我认为不错的技术博客内容,引用其中了一些比较好的博客文章,如有侵权,请联系作者。

该系列博文会告诉你如何从入门到进阶,一步步地学习Java基础知识,并上手进行实战,接着了解每个Java知识点背后的实现原理,更完整地了解整个Java技术体系,形成自己的知识框架。为了更好地总结和检验你的学习成果,本系列文章也会提供部分知识点对应的面试题以及参考答案。

如果对本系列文章有什么建议,或者是有什么疑问的话,也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者,欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

Java 基本数据类型

变量就是申请内存来存储值。也就是说,当创建变量的时候,需要在内存中申请空间。

内存管理系统根据变量的类型为变量分配存储空间,分配的空间只能用来储存该类型数据。

夯实Java基础系列2:Java自动拆装箱里隐藏的秘密

因此,通过定义不同类型的变量,可以在内存中储存整数、小数或者字符。

Java 的两大数据类型:

  • 内置数据类型
  • 引用数据类型

内置数据类型

Java语言提供了八种基本类型。六种数字类型(四个整数型,两个浮点型),一种字符类型,还有一种布尔型。

byte:

  • byte 数据类型是8位、有符号的,以二进制补码表示的整数;
  • 最小值是 -128(-2^7);
  • 最大值是 127(2^7-1);
  • 默认值是 0;
  • byte 类型用在大型数组中节约空间,主要代替整数,因为 byte 变量占用的空间只有 int 类型的四分之一;
  • 例子:byte a = 100,byte b = -50。

short:

  • short 数据类型是 16 位、有符号的以二进制补码表示的整数
  • 最小值是 -32768(-2^15);
  • 最大值是 32767(2^15 - 1);
  • Short 数据类型也可以像 byte 那样节省空间。一个short变量是int型变量所占空间的二分之一;
  • 默认值是 0;
  • 例子:short s = 1000,short r = -20000。

int:

  • int 数据类型是32位、有符号的以二进制补码表示的整数;
  • 最小值是 -2,147,483,648(-2^31);
  • 最大值是 2,147,483,647(2^31 - 1);
  • 一般地整型变量默认为 int 类型;
  • 默认值是 0 ;
  • 例子:int a = 100000, int b = -200000。

long:

  • long 数据类型是 64 位、有符号的以二进制补码表示的整数;
  • 最小值是 -9,223,372,036,854,775,808(-2^63);
  • 最大值是 9,223,372,036,854,775,807(2^63 -1);
  • 这种类型主要使用在需要比较大整数的系统上;
  • 默认值是 0L;
  • 例子: long a = 100000L,Long b = -200000L。
    “L”理论上不分大小写,但是若写成”l”容易与数字”1”混淆,不容易分辩。所以最好大写。

float:

  • float 数据类型是单精度、32位、符合IEEE 754标准的浮点数;
  • float 在储存大型浮点数组的时候可节省内存空间;
  • 默认值是 0.0f;
  • 浮点数不能用来表示精确的值,如货币;
  • 例子:float f1 = 234.5f。

double:

  • double 数据类型是双精度、64 位、符合IEEE 754标准的浮点数;
  • 浮点数的默认类型为double类型;
  • double类型同样不能表示精确的值,如货币;
  • 默认值是 0.0d;
  • 例子:double d1 = 123.4。

boolean:

  • boolean数据类型表示一位的信息;
  • 只有两个取值:true 和 false;
  • 这种类型只作为一种标志来记录 true/false 情况;
  • 默认值是 false;
  • 例子:boolean >

char:

  • char类型是一个单一的 16 位 Unicode 字符;
  • 最小值是 \u0000(即为0);
  • 最大值是 \uffff(即为65,535);
  • char 数据类型可以储存任何字符;
  • 例子:char letter = ‘A’;。
//8位byte bx = Byte.MAX_VALUE;byte bn = Byte.MIN_VALUE;//16位short sx = Short.MAX_VALUE;short sn = Short.MIN_VALUE;//32位int ix = Integer.MAX_VALUE;int in = Integer.MIN_VALUE;//64位long lx = Long.MAX_VALUE;long ln = Long.MIN_VALUE;//32位float fx = Float.MAX_VALUE;float fn = Float.MIN_VALUE;//64位double dx = Double.MAX_VALUE;double dn = Double.MIN_VALUE;//16位char cx = Character.MAX_VALUE;char cn = Character.MIN_VALUE;//1位boolean bt = Boolean.TRUE;boolean bf = Boolean.FALSE;
`127``-128``32767``-32768``2147483647``-2147483648``9223372036854775807``-9223372036854775808``3.4028235E38``1.4E-45``1.7976931348623157E308``4.9E-324``￿``true``false`

引用类型

  • 在Java中,引用类型的变量非常类似于C/C++的指针。引用类型指向一个对象,指向对象的变量是引用变量。这些变量在声明时被指定为一个特定的类型,比如 Employee、Puppy 等。变量一旦声明后,类型就不能被改变了。
  • 对象、数组都是引用数据类型。
  • 所有引用类型的默认值都是null。
  • 一个引用变量可以用来引用任何与之兼容的类型。
  • 例子:Site site = new Site(“Runoob”)。

Java 常量

常量在程序运行时是不能被修改的。

在 Java 中使用 final 关键字来修饰常量,声明方式和变量类似:

final double PI = 3.1415927;

虽然常量名也可以用小写,但为了便于识别,通常使用大写字母表示常量。

字面量可以赋给任何内置类型的变量。例如:

byte a = 68;char a = 'A'

自动拆箱和装箱(详解)

Java 5增加了自动装箱与自动拆箱机制,方便基本类型与包装类型的相互转换操作。在Java 5之前,如果要将一个int型的值转换成对应的包装器类型Integer,必须显式的使用new创建一个新的Integer对象,或者调用静态方法Integer.valueOf()。

//在Java 5之前,只能这样做Integer value = new Integer(10);//或者这样做Integer value = Integer.valueOf(10);//直接赋值是错误的//Integer value = 10;`

在Java 5中,可以直接将整型赋给Integer对象,由编译器来完成从int型到Integer类型的转换,这就叫自动装箱。

`//在Java 5中,直接赋值是合法的,由编译器来完成转换``Integer value = 10;``与此对应的,自动拆箱就是可以将包装类型转换为基本类型,具体的转换工作由编译器来完成。``//在Java 5 中可以直接这么做``Integer value = new Integer(10);``int i = value;`

自动装箱与自动拆箱为程序员提供了很大的方便,而在实际的应用中,自动装箱与拆箱也是使用最广泛的特性之一。自动装箱和自动拆箱其实是Java编译器提供的一颗语法糖(语法糖是指在计算机语言中添加的某种语法,这种语法对语言的功能并没有影响,但是更方便程序员使用。通过可提高开发效率,增加代码可读性,增加代码的安全性)。

实现

在八种包装类型中,每一种包装类型都提供了两个方法:

静态方法valueOf(基本类型):将给定的基本类型转换成对应的包装类型;

实例方法xxxValue():将具体的包装类型对象转换成基本类型;
下面我们以int和Integer为例,说明Java中自动装箱与自动拆箱的实现机制。看如下代码:

class Auto //code1{    public static void main(String[] args)     {        //自动装箱        Integer inte = 10;        //自动拆箱        int i = inte;    //再double和Double来验证一下    Double doub = 12.40;    double d = doub;    }}

上面的代码先将int型转为Integer对象,再讲Integer对象转换为int型,毫无疑问,这是可以正确运行的。可是,这种转换是怎么进行的呢?使用反编译工具,将生成的Class文件在反编译为Java文件,让我们看看发生了什么:

class Auto//code2{  public static void main(String[] paramArrayOfString)  {    Integer localInteger = Integer.valueOf(10);int i = localInteger.intValue();Double localDouble = Double.valueOf(12.4D);double d = localDouble.doubleValue();  }}

我们可以看到经过javac编译之后,code1的代码被转换成了code2,实际运行时,虚拟机运行的就是code2的代码。也就是说,虚拟机根本不知道有自动拆箱和自动装箱这回事;在将Java源文件编译为class文件的过程中,javac编译器在自动装箱的时候,调用了Integer.valueOf()方法,在自动拆箱时,又调用了intValue()方法。我们可以看到,double和Double也是如此。
实现总结:其实自动装箱和自动封箱是编译器为我们提供的一颗语法糖。在自动装箱时,编译器调用包装类型的valueOf()方法;在自动拆箱时,编译器调用了相应的xxxValue()方法。

自动装箱与拆箱中的“坑”

在使用自动装箱与自动拆箱时,要注意一些陷阱,为了避免这些陷阱,我们有必要去看一下各种包装类型的源码。

Integer源码

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {    private final int value; public Integer(int value) {        this.value = value; } public boolean equals(Object obj) {        if (obj instanceof Integer) {            return value == ((Integer)obj).intValue();        }        return false;} public int intValue() {        return value; }  public static Integer valueOf(int i) {    assert IntegerCache.high >= 127;    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];    return new Integer(i); } private static class IntegerCache {    static final int low = -128;    static final int high;    static final Integer cache[];    static {        // high value may be configured by property        int h = 127;        String integerCacheHighPropValue =            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");        if (integerCacheHighPropValue != null) {            int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);            i = Math.max(i, 127);            // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE            h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);        }        high = h;        cache = new Integer[(high - low) + 1];        int j = low;        for(int k = 0; k < cache.length; k++)            cache[k] = new Integer(j++);    }    private IntegerCache() {}}

以上是Oracle(Sun)公司JDK 1.7中Integer源码的一部分,通过分析上面的代码,得到:

1)Integer有一个实例域value,它保存了这个Integer所代表的int型的值,且它是final的,也就是说这个Integer对象一经构造完成,它所代表的值就不能再被改变。

2)Integer重写了equals()方法,它通过比较两个Integer对象的value,来判断是否相等。

3)重点是静态内部类IntegerCache,通过类名就可以发现:它是用来缓存数据的。它有一个数组,里面保存的是连续的Integer对象。
(a) low:代表缓存数据中最小的值,固定是-128。

(b) high:代表缓存数据中最大的值,它可以被该改变,默认是127。high最小是127,最大是Integer.MAX_VALUE-(-low)-1,如果high超过了这个值,那么cache[ ]的长度就超过Integer.MAX_VALUE了,也就溢出了。

(c) cache[]:里面保存着从[low,high]所对应的Integer对象,长度是high-low+1(因为有元素0,所以要加1)。

4)调用valueOf(inti)方法时,首先判断i是否在[low,high]之间,如果是,则复用Integer.cache[i-low]。比如,如果Integer.valueOf(3),直接返回Integer.cache[131];如果i不在这个范围,则调用构造方法,构造出一个新的Integer对象。

5)调用intValue(),直接返回value的值。
通过3)和4)可以发现,默认情况下,在使用自动装箱时,VM会复用[-128,127]之间的Integer对象。

Integer  a1 = 1;Integer  a2 = 1;Integer  a3 = new Integer(1);//会打印true,因为a1和a2是同一个对象,都是Integer.cache[129]System.out.println(a1 == a2);//false,a3构造了一个新的对象,不同于a1,a2System.out.println(a1 == a3);

了解基本类型缓存(常量池)的最佳实践

//基本数据类型的常量池是-128到127之间。// 在这个范围中的基本数据类的包装类可以自动拆箱,比较时直接比较数值大小。public static void main(String[] args) {    //int的自动拆箱和装箱只在-128到127范围中进行,超过该范围的两个integer的 == 判断是会返回false的。    Integer a1 = 128;    Integer a2 = -128;    Integer a3 = -128;    Integer a4 = 128;    System.out.println(a1 == a4);    System.out.println(a2 == a3);    Byte b1 = 127;    Byte b2 = 127;    Byte b3 = -128;    Byte b4 = -128;    //byte都是相等的,因为范围就在-128到127之间    System.out.println(b1 == b2);    System.out.println(b3 == b4);    //    Long c1 = 128L;    Long c2 = 128L;    Long c3 = -128L;    Long c4 = -128L;    System.out.println(c1 == c2);    System.out.println(c3 == c4);    //char没有负值    //发现char也是在0到127之间自动拆箱    Character d1 = 128;    Character d2 = 128;    Character d3 = 127;    Character d4 = 127;    System.out.println(d1 == d2);    System.out.println(d3 == d4);    `结果`    `false`    `true`    `true`    `true`    `false`    `true`    `false`    `true`    Integer i = 10;    Byte b = 10;    //比较Byte和Integer.两个对象无法直接比较,报错    //System.out.println(i == b);    System.out.println("i == b " + i.equals(b));    //答案是false,因为包装类的比较时先比较是否是同一个类,不是的话直接返回false.    int ii = 128;    short ss = 128;    long ll = 128;    char cc = 128;    System.out.println("ii == bb " + (ii == ss));    System.out.println("ii == ll " + (ii == ll));    System.out.println("ii == cc " + (ii == cc));    结果    i == b false    ii == bb true    ii == ll true    ii == cc true    //这时候都是true,因为基本数据类型直接比较值,值一样就可以。

总结:

通过上面的代码,我们分析一下自动装箱与拆箱发生的时机:

(1)当需要一个对象的时候会自动装箱,比如Integer a = 10;equals(Object o)方法的参数是Object对象,所以需要装箱。

(2)当需要一个基本类型时会自动拆箱,比如int a = new Integer(10);算术运算是在基本类型间进行的,所以当遇到算术运算时会自动拆箱,比如代码中的 c == (a + b);

(3) 包装类型 == 基本类型时,包装类型自动拆箱;

需要注意的是:“==”在没遇到算术运算时,不会自动拆箱;基本类型只会自动装箱为对应的包装类型,代码中最后一条说明的内容。

在JDK 1.5中提供了自动装箱与自动拆箱,这其实是Java 编译器的语法糖,编译器通过调用包装类型的valueOf()方法实现自动装箱,调用xxxValue()方法自动拆箱。自动装箱和拆箱会有一些陷阱,那就是包装类型复用了某些对象。

(1)Integer默认复用了[-128,127]这些对象,其中高位置可以修改;

(2)Byte复用了全部256个对象[-128,127];

(3)Short服用了[-128,127]这些对象;

(4)Long服用了[-128,127];

(5)Character复用了[0,127],Charater不能表示负数;

Double和Float是连续不可数的,所以没法复用对象,也就不存在自动装箱复用陷阱。

Boolean没有自动装箱与拆箱,它也复用了Boolean.TRUE和Boolean.FALSE,通过Boolean.valueOf(boolean b)返回的Blooean对象要么是TRUE,要么是FALSE,这点也要注意。

本文介绍了“真实的”自动装箱与拆箱,为了避免写出错误的代码,又从包装类型的源码入手,指出了各种包装类型在自动装箱和拆箱时存在的陷阱,同时指出了自动装箱与拆箱发生的时机。

基本数据类型的存储方式

上面自动拆箱和装箱的原理其实与常量池有关。

存在栈中:

public void(int a)
{
int i = 1;
int j = 1;
}
方法中的i 存在虚拟机栈的局部变量表里,i是一个引用,j也是一个引用,它们都指向局部变量表里的整型值 1.
int a是传值引用,所以a也会存在局部变量表。

存在堆里:

class A{
int i = 1;
A a = new A();
}
i是类的成员变量。类实例化的对象存在堆中,所以成员变量也存在堆中,引用a存的是对象的地址,引用i存的是值,这个值1也会存在堆中。可以理解为引用i指向了这个值1。也可以理解为i就是1.

3 包装类对象怎么存
其实我们说的常量池也可以叫对象池。
比如String a= new String(“a”).intern()时会先在常量池找是否有“a”对象如果有的话直接返回“a”对象在常量池的地址,即让引用a指向常量”a”对象的内存地址。
public native String intern();
Integer也是同理。

下图是Integer类型在常量池中查找同值对象的方法。

public static Integer valueOf(int i) {    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];    return new Integer(i);}private static class IntegerCache {    static final int low = -128;    static final int high;    static final Integer cache[];    static {        // high value may be configured by property        int h = 127;        String integerCacheHighPropValue =            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");        if (integerCacheHighPropValue != null) {            try {                int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);                i = Math.max(i, 127);                // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE                h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);            } catch( NumberFormatException nfe) {                // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.            }        }        high = h;        cache = new Integer[(high - low) + 1];        int j = low;        for(int k = 0; k < cache.length; k++)            cache[k] = new Integer(j++);        // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)        assert IntegerCache.high >= 127;    }    private IntegerCache() {}}

所以基本数据类型的包装类型可以在常量池查找对应值的对象,找不到就会自动在常量池创建该值的对象。

而String类型可以通过intern来完成这个操作。

JDK1.7后,常量池被放入到堆空间中,这导致intern()函数的功能不同,具体怎么个不同法,且看看下面代码,这个例子是网上流传较广的一个例子,分析图也是直接粘贴过来的,这里我会用自己的理解去解释这个例子:

[java] view plain copyString s = new String("1");  s.intern();  String s2 = "1";  System.out.println(s == s2);  String s3 = new String("1") + new String("1");  s3.intern();  String s4 = "11";  System.out.println(s3 == s4);  输出结果为:[java] view plain copyJDK1.6以及以下:false false  JDK1.7以及以上:false true

夯实Java基础系列2:Java自动拆装箱里隐藏的秘密

夯实Java基础系列2:Java自动拆装箱里隐藏的秘密
JDK1.6查找到常量池存在相同值的对象时会直接返回该对象的地址。

JDK 1.7后,intern方法还是会先去查询常量池中是否有已经存在,如果存在,则返回常量池中的引用,这一点与之前没有区别,区别在于,如果在常量池找不到对应的字符串,则不会再将字符串拷贝到常量池,而只是在常量池中生成一个对原字符串的引用。

那么其他字符串在常量池找值时就会返回另一个堆中对象的地址。

下一节详细介绍String以及相关包装类。

具体请见:https://blog.csdn.net/a724888/article/details/80042298

关于Java面向对象三大特性,请参考:

https://blog.csdn.net/a724888/article/details/80033043

参考文章

https://www.runoob.com/java/java-basic-datatypes.html

https://www.cnblogs.com/zch2126/p/5335139.html

https://blog.csdn.net/jreffchen/article/details/81015884

https://blog.csdn.net/yuhongye111/article/details/31850779

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