关于int和Integer不得不说的事

关于int和Integer不得不说的事

一月 14, 2020

任何一个学过 Java 的人，肯定知道 int 是原始数据类型，Integer 是一个对象，他们之间可以自动地拆箱装箱。但，如果继续挖掘，仍然大有分析地余地。你，真的懂 int 和 Integer 了吗？

我们先来看一段代码

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public static void main(String[] args) {
    Integer i = 10;
    Integer j = 10;
    System.out.println(i == j);
      
    Integer a = 128;
    Integer b = 128;
    System.out.println(a == b);
     
    int k = 10;
    System.out.println(k == i);
    int kk = 128;
    System.out.println(kk == a);
      
    Integer m = new Integer(10);
    Integer n = new Integer(10);
    System.out.println(m == n);
}
运行结果
true
false
true
true
false

①、第一个打印结果为 true

　　对于 i == j ,我们知道这是两个Integer类，他们比较应该是用equals，这里用==比较的是地址，那么结果肯定为false，但是实际上结果为true，这是为什么？

　　我们进入到Integer 类的valueOf()方法：

　　分析源码我们可以知道在 i >= -128 并且 i <= 127 的时候，第一次声明会将 i 的值放入缓存中，第二次直接取缓存里面的数据，而不是重新创建一个Ingeter 对象。那么第一个打印结果因为 i = 10 在缓存表示范围内，所以为 true。

　　②、第二个打印结果为 false

　　从上面的分析我们知道，128是不在-128到127之间的，所以第一次创建对象的时候没有缓存，第二次创建了一个新的Integer对象。故打印结果为false

　　③、第三个打印结果为 true

　　Integer 的自动拆箱功能，也就是比较两个基本数据类型，结果当然为true

　　④、第四个打印结果为 true

　　解释和第三个一样。int和integer(无论new否)比，都为true，因为会把Integer自动拆箱为int再去比较。

　　⑤、第五个打印结果为 false

　　因为这个虽然值为10，但是我们都是通过 new 关键字来创建的两个对象，是不存在缓存的概念的。两个用new关键字创建的对象用 == 进行比较，结果当然为 false。

关于自动拆箱和装箱

我们都知道 int 和 Integer 可以自动相互转换，这是 Java 给我们提供的一种语法糖，但是，它是“怎么”转换的？在什么时候转换？是编译期还是运行期？
简单来讲：自动装箱就是Integer.valueOf(int i);自动拆箱就是 i.intValue();
眼见为实，让我们编写一段代码来实际看看过程

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public class TestClass {
    
    public void inc () {
        Integer integer = 1;
        int unboxing = integer ++;
    }
}

这是一段普通的代码，但它完整包含了三个动作：将一个原始数据类型转换成包装类型、将一个包装类型转换成一个原始数据类型、对一个包装类型进行直接的运算。

接下来通过 javap -verbose 指令解析编译后的 class 文件，以下是在我的电脑上的 JDK 1.8 版本解析的结果，看看编译过程发生了什么事

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public void inc();
   descriptor: ()V
   flags: ACC_PUBLIC
   Code:
     stack=2, locals=5, args_size=1
        0: iconst_1
        1: invokestatic  #2                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
        4: astore_1
        5: aload_1
        6: astore_3
        7: aload_1
        8: invokevirtual #3                  // Method java/lang/Integer.intValue:()I
       11: iconst_1
       12: iadd
       13: invokestatic  #2                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
       16: dup
       17: astore_1
       18: astore        4
       20: aload_3
       21: invokevirtual #3                  // Method java/lang/Integer.intValue:()I
       24: istore_2
       25: return

这是节选自 inc() 方法的一段字节码，查看它的操作指令及注释，可以得出结论

  • 自动拆箱装箱是在编译期完成的
  • javac 将装箱操作用Integer.valueOf()代替了，将拆箱用Integer.intValue()代替了
  • 包装对象的运算，要先拆箱成原始数据类型，进行运算完毕后再装箱

通过对这个反编译例子的研究，我们就明白，在以后编程中，需要进行大量计算的地方，应该使用原始数据类型，在性能敏感的场合，优先使用原始数据类型。

关于 Integer 源码

整体看一下 Integer 类的源码，可以发现这个类主要是由几个常量，两个装箱拆箱方法，一些进制转换方法，一些位操作方法组成。
其中有几个比较有意思的点，

类和常量都被 final 修饰了起来。

很容易由此联想到这是一个不可变类 (immutable），由此想到不可变类的设计原则：

  • 类标识打上 final 标志
  • 类变量使用 final 修饰
  • 提供构造或者工厂方法设置类变量的初始值，不提供set方法
  • 构造时，对引用类型使用深拷贝，避免外部不确定因素的影响
  • 将集合改为不可变集合，比如使用 Java 9List.of()方法

特别的常量

Integer 类除了提供最大、最小的常数外，还提供了位数和字节数的两个常量。后面这两个常量，值得提一下。

如果我们写过 c 或者 c++ 语言，就会知道，在这两种语言中， int 类型在 32 位和 64 位系统中是不确定的。而在 Java 中，我们无需担忧这种不同，因为在 Java 语言规范中明确规定了各种基本类型的长度。

https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se10/html/jls-4.html#jls-4.2
这也是 Java 实现它的承诺——一次书写，到处运行，的一个细节。

关于缓存

我们都知道 Java 自动缓存了一个小范围的整数值。并且都在无数的地方中看到了别人对这个范围的描述—— -128~127。但，如果读过了 Integer 的源码，你就会发现这是错误的说法。

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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;
}

在生成缓存的这段代码中，我们注意到了一个细节，范围的下限确实是 -128，但上限是可以调节的。
如果我们的程序需要更大的缓存范围，我们可以通过在启动 JVM 时增加参数-XX:AutoBoxCacheMax=N，来设置这个缓存范围的上限。

对于缓存，还可以同样观察下其他基本类型的包装类，都同样做了一个小范围的缓存。

关于占用空间

如果我们要创建 10 万个整数，那么光是对象头的占用空间，Integer 就要比 int 多出一个数量级。这是对象机制不可避免带来的问题，我们在编写操作大量数据的代码时，也应该考虑占用空间的问题。

关于线程安全

我们都知道，不可变类是实现线程安全共享对象的一种方式。但是原始元素类型的运算就不是线程安全的。如果多个线程同时对一个 int 对象做运算，就可能引发并发问题。

如果有线程安全计算的需要，可以使用 AtomicInteger 这样的线程安全类进行计算。

但，如果不想涉及到类，想直接在原始数据类型上做并发操作，也是有办法的。Java 提供了 AtomicIntegerFieldUpdater 这样的类进行 cas 安全操作。下面是使用原始数据类型实现一个计数器的方式。

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 class CompactCounter {
    private volatile long counter;
    private static final AtomicLongFieldUpdater<CompactCounter> updater = AtomicLongFieldUpdater.newUpdater(CompactCounter.class, "counter");
    public void increase() {
        updater.incrementAndGet(this);
    }
}

关于局限性

Java 走过了这么多年的历程，这种类型系统的设计已经是很久前的了，现在也逐渐暴露了一些缺点。

  • 原始数据类型不能和泛型完美配合。
    Java 的泛型机制，是一种伪泛型，它在编译期将类型转换为特定的类型。这就要求相应类型可以转换为 Object。
  • 无法高效地表达数据
    如果我们写过 python、scala。就会知道，这些语言中有 vector、tuple。极大地方便了我们编程，简洁了代码。
    但是由于 Java 语言的实现机制，在对象数组中存放的是对象的引用，实际对象分散在堆内存的各个地方。这种方式虽然带来了极大的灵活性，但是却带来了数据操作的低效