Java 自动装箱与拆箱的实现原理

什么是自动装箱和拆箱

自动装箱就是Java自动将原始类型值转换成对应的对象,比如将int的变量转换成Integer对象,这个过程叫做装箱,反之将Integer对象转换成int类型值,这个过程叫做拆箱。因为这里的装箱和拆箱是自动进行的非人为转换,所以就称作为自动装箱和拆箱。原始类型byte, short, char, int, long, float, double 和 boolean 对应的封装类为Byte, Short, Character, Integer, Long, Float, Double, Boolean。

下面例子是自动装箱和拆箱带来的疑惑


    public class Test {  
        public static void main(String[] args) {      
            test();  
        }  
    
        public static void test() {  
            int i = 40;  
            int i0 = 40;  
            Integer i1 = 40;  
            Integer i2 = 40;  
            Integer i3 = 0;  
            Integer i4 = new Integer(40);  
            Integer i5 = new Integer(40);  
            Integer i6 = new Integer(0);  
            Double d1=1.0;  
            Double d2=1.0;  
              
            System.out.println("i=i0\t" + (i == i0));  
            System.out.println("i1=i2\t" + (i1 == i2));  
            System.out.println("i1=i2+i3\t" + (i1 == i2 + i3));  
            System.out.println("i4=i5\t" + (i4 == i5));  
            System.out.println("i4=i5+i6\t" + (i4 == i5 + i6));      
            System.out.println("d1=d2\t" + (d1==d2));   
              
            System.out.println();          
        }  
    } 

请看下面的输出结果跟你预期的一样吗?

输出的结果:
i=i0        true
i1=i2       true
i1=i2+i3    true
i4=i5       false
i4=i5+i6    true
d1=d2     false

为什么会这样?带着疑问继续往下看。

自动装箱和拆箱的原理

自动装箱时编译器调用valueOf将原始类型值转换成对象,同时自动拆箱时,编译器通过调用类似intValue(),doubleValue()这类的方法将对象转换成原始类型值。

明白自动装箱和拆箱的原理后,我们带着上面的疑问进行分析下Integer的自动装箱的实现源码。如下:


    public static Integer valueOf(int i) {
        //判断i是否在-128和127之间,存在则从IntegerCache中获取包装类的实例,否则new一个新实例
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }


    //使用亨元模式,来减少对象的创建(亨元设计模式大家有必要了解一下,我认为是最简单的设计模式,也许大家经常在项目中使用,不知道他的名字而已)
    private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        //静态方法,类加载的时候进行初始化cache[],静态变量存放在常量池中
        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() {}
    }

Integer i1 = 40; 自动装箱,相当于调用了Integer.valueOf(40);方法。
    首先判断i值是否在-128和127之间,如果在-128和127之间则直接从IntegerCache.cache缓存中获取指定数字的包装类;不存在则new出一个新的包装类。
    IntegerCache内部实现了一个Integer的静态常量数组,在类加载的时候,执行static静态块进行初始化-128到127之间的Integer对象,存放到cache数组中。cache属于常量,存放在java的方法区中。
    如果你不了解方法区请点击这里查看JVM内存模型

接着看下面是java8种基本类型的自动装箱代码实现。如下:

    //boolean原生类型自动装箱成Boolean
    public static Boolean valueOf(boolean b) {
        return (b ? TRUE : FALSE);
    }

    //byte原生类型自动装箱成Byte
    public static Byte valueOf(byte b) {
        final int offset = 128;
        return ByteCache.cache[(int)b + offset];
    }

    //byte原生类型自动装箱成Byte
    public static Short valueOf(short s) {
        final int offset = 128;
        int sAsInt = s;
        if (sAsInt >= -128 && sAsInt <= 127) { // must cache
            return ShortCache.cache[sAsInt + offset];
        }
        return new Short(s);
    }

    //char原生类型自动装箱成Character
    public static Character valueOf(char c) {
        if (c <= 127) { // must cache
            return CharacterCache.cache[(int)c];
        }
        return new Character(c);
    }
    
    //int原生类型自动装箱成Integer
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

    //int原生类型自动装箱成Long
    public static Long valueOf(long l) {
        final int offset = 128;
        if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
            return LongCache.cache[(int)l + offset];
        }
        return new Long(l);
    }

    //double原生类型自动装箱成Double
    public static Double valueOf(double d) {
        return new Double(d);
    }

    //float原生类型自动装箱成Float
    public static Float valueOf(float f) {
        return new Float(f);
    }

通过分析源码发现,只有double和float的自动装箱代码没有使用缓存,每次都是new 新的对象,其它的6种基本类型都使用了缓存策略。
    使用缓存策略是因为,缓存的这些对象都是经常使用到的(如字符、-128至127之间的数字),防止每次自动装箱都创建一次对象的实例。
    而double、float是浮点型的,没有特别的热的(经常使用到的)数据的,缓存效果没有其它几种类型使用效率高。

下面在看下装箱和拆箱问题解惑。

    //1、这个没解释的就是true
    System.out.println("i=i0\t" + (i == i0));  //true
    //2、int值只要在-128和127之间的自动装箱对象都从缓存中获取的,所以为true
    System.out.println("i1=i2\t" + (i1 == i2));  //true
    //3、涉及到数字的计算,就必须先拆箱成int再做加法运算,所以不管他们的值是否在-128和127之间,只要数字一样就为true
    System.out.println("i1=i2+i3\t" + (i1 == i2 + i3));//true  
    //比较的是对象内存地址,所以为false
    System.out.println("i4=i5\t" + (i4 == i5));  //false
    //5、同第3条解释,拆箱做加法运算,对比的是数字,所以为true
    System.out.println("i4=i5+i6\t" + (i4 == i5 + i6));//true      
    //double的装箱操作没有使用缓存,每次都是new Double,所以false
    System.out.println("d1=d2\t" + (d1==d2));//false

相信你看到这就应该能明白上面的程序输出的结果为什么是true,false了,只要掌握原理,类似的问题就迎刃而解了,如果这篇文章对您有帮助,就加下关注,点个赞。

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