Java中的自动拆装箱机制

蔚落 2022-01-29 07:13 161阅读 0赞

Java成神之路      ————>    本文主要介绍Java中的自动拆箱与自动装箱的有关知识。

# **1、基本数据类型** #

基本类型，或者叫做内置类型，是Java中不同于类(Class)的特殊类型。它们是我们编程中使用最频繁的类型。

Java是一种强类型语言，第一次申明变量必须说明数据类型，第一次变量赋值称为变量的初始化。

Java基本类型共有八种，基本类型可以分为三类：

字符类型`char`

布尔类型`boolean`

整数类型`byte`、`short`、`int`、`long`

浮点数类型`float`、`double`。

Java中的数值类型不存在无符号的，它们的取值范围是固定的，不会随着机器硬件环境或者操作系统的改变而改变。

实际上，Java中还存在另外一种基本类型`void`，它也有对应的包装类`java.lang.Void`，不过我们无法直接对它们进行操作。

### 基本数据类型有什么好处 ###

我们都知道在Java语言中，`new`一个对象是存储在堆里的，我们通过栈中的引用来使用这些对象；所以，对象本身来说是比较消耗资源的。

对于经常用到的类型，如int等，如果我们每次使用这种变量的时候都需要new一个Java对象的话，就会比较笨重。

所以，和C++一样，Java提供了基本数据类型，这种数据的变量不需要使用new创建，他们不会在堆上创建，而是直接在栈内存中存储，因此会更加高效。

### 整型的取值范围 ###

Java中的整型主要包含`byte`、`short`、`int`和`long`这四种，表示的数字范围也是从小到大的，之所以表示范围不同主要和他们存储数据时所占的字节数有关。

先来个简答的科普，1字节=8位（bit）。java中的整型属于有符号数。

先来看计算中8bit可以表示的数字：

整型的这几个类型中，

*  byte：byte用1个字节来存储，范围为-128(-2^7)到127(2^7-1)，在变量初始化的时候，byte类型的默认值为0。
 *  short：short用2个字节存储，范围为-32,768 (-2^15)到32,767 (2^15-1)，在变量初始化的时候，short类型的默认值为0，一般情况下，因为Java本身转型的原因，可以直接写为0。
 *  int：int用4个字节存储，范围为-2,147,483,648 (-2^31)到2,147,483,647 (2^31-1)，在变量初始化的时候，int类型的默认值为0。
 *  long：long用8个字节存储，范围为-9,223,372,036,854,775,808 (-2^63)到9,223,372,036, 854,775,807 (2^63-1)，在变量初始化的时候，long类型的默认值为0L或0l，也可直接写为0。

### 超出范围怎么办 ###

上面说过了，整型中，每个类型都有一定的表示范围，但是，在程序中有些计算会导致超出表示范围，即溢出。如以下代码

`int i = Integer.MAX_VALUE; int j = Integer.MAX_VALUE;`

int k = i + j;  
System.out.println("i (" + i + ") + j (" + j + ") = k (" + k + ")");  
输出结果：i (2147483647) + j (2147483647) = k (-2)

**这就是发生了溢出，溢出的时候并不会抛异常，也没有任何提示。**所以，在程序中，使用同类型的数据进行运算的时候，**一定要注意数据溢出的问题。**

# 2、包装类型 #

Java语言是一个面向对象的语言，但是Java中的基本数据类型却是不面向对象的，这在实际使用时存在很多的不便，为了解决这个不足，在设计类时为每个基本数据类型设计了一个对应的类进行代表，这样八个和基本数据类型对应的类统称为包装类(Wrapper Class)。

包装类均位于java.lang包，包装类和基本数据类型的对应关系如下表所示

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>基本数据类型</th> 
   <th>包装类</th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

在这八个类名中，除了Integer和Character类以后，其它六个类的类名和基本数据类型一致，只是类名的第一个字母大写即可。

### 为什么需要包装类 ###

很多人会有疑问，既然Java中为了提高效率，提供了八种基本数据类型，为什么还要提供包装类呢？

这个问题，其实前面已经有了答案，因为Java是一种面向对象语言，很多地方都需要使用对象而不是基本数据类型。比如，在集合类中，我们是无法将int 、double等类型放进去的。因为集合的容器要求元素是Object类型。

为了让基本类型也具有对象的特征，就出现了包装类型，它相当于将基本类型“包装起来”，使得它具有了对象的性质，并且为其添加了属性和方法，丰富了基本类型的操作。

# 3、拆箱与装箱 #

那么，有了基本数据类型和包装类，肯定有些时候要在他们之间进行转换。比如把一个基本数据类型的int转换成一个包装类型的Integer对象。

我们认为包装类是对基本类型的包装，所以，把基本数据类型转换成包装类的过程就是打包装，英文对应于boxing，中文翻译为装箱。

反之，把包装类转换成基本数据类型的过程就是拆包装，英文对应于unboxing，中文翻译为拆箱。

在Java SE5之前，要进行装箱，可以通过以下代码：

`Integer i = new Integer(10);`

# 4、自动拆箱与自动装箱 #

在Java SE5中，为了减少开发人员的工作，Java提供了自动拆箱与自动装箱功能。

自动装箱: 就是将基本数据类型自动转换成对应的包装类。

自动拆箱：就是将包装类自动转换成对应的基本数据类型。

`Integer i =10;  //自动装箱 int b= i;     //自动拆箱`

`Integer i=10` 可以替代 `Integer i = new Integer(10);`，这就是因为Java帮我们提供了自动装箱的功能，不需要开发者手动去new一个Integer对象。

# 5、自动装箱与自动拆箱的实现原理 #

既然Java提供了自动拆装箱的能力，那么，我们就来看一下，到底是什么原理，Java是如何实现的自动拆装箱功能。

我们有以下自动拆装箱的代码：

`public static  void main(String[]args){     Integer integer=1; //装箱     int i=integer; //拆箱 }`

对以上代码进行反编译后可以得到以下代码：

`public static  void main(String[]args){     Integer integer=Integer.valueOf(1);     int i=integer.intValue(); }`

从上面反编译后的代码可以看出，int的自动装箱都是通过`Integer.valueOf()`方法来实现的，Integer的自动拆箱都是通过`integer.intValue`来实现的。如果读者感兴趣，可以试着将八种类型都反编译一遍 ，你会发现以下规律：

> 自动装箱都是通过包装类的`valueOf()`方法来实现的.自动拆箱都是通过包装类对象的`xxxValue()`来实现的。

# 6、哪些地方会自动拆装箱 #

我们了解过原理之后，在来看一下，什么情况下，Java会帮我们进行自动拆装箱。前面提到的变量的初始化和赋值的场景就不介绍了，那是最简单的也最容易理解的。

我们主要来看一下，那些可能被忽略的场景。

### 场景一、将基本数据类型放入集合类 ###

我们知道，Java中的集合类只能接收对象类型，那么以下代码为什么会不报错呢？  
`List<Integer>  li = new ArrayList; for (int i = 1; i < 50; i ++){ li.add(i); }` 将上面代码进行反编译，可以得到以下代码：

`List li = new ArrayList<>(); for (int i = 1; i < 50; i += 2){     li.add(Integer.valueOf(i)); }`

以上，我们可以得出结论，当我们把基本数据类型放入集合类中的时候，会进行自动装箱。

### 场景二、包装类型和基本类型的大小比较 ###

有没有人想过，当我们对Integer对象与基本类型进行大小比较的时候，实际上比较的是什么内容呢？看以下代码：  
`Integer a=1; System.out.println(a==1?"等于":"不等于"); Boolean bool=false; System.out.println(bool?"真":"假");` 对以上代码进行反编译，得到以下代码：

`Integer a=1; System.out.println(a.intValue()==1?"等于":"不等于"); Boolean bool=false; System.out.println(bool.booleanValue?"真":"假");`

可以看到，包装类与基本数据类型进行比较运算，是先将包装类进行拆箱成基本数据类型，然后进行比较的。

### 场景三、包装类型的运算 ###

有没有人想过，当我们对Integer对象进行四则运算的时候，是如何进行的呢？看以下代码：

`Integer i = 10; Integer j = 20;`

System.out.println(i+j);

反编译后，如下：

`Integer i = Integer.valueOf(10); Integer j = Integer.valueOf(20); System.out.println(i.intValue() + j.intValue());`

我们发现，两个包装类型之间的运算，会被自动拆箱成基本类型进行。

### 场景四、三目运算符的使用 ###

这是很多人不知道的一个场景，作者也是一次线上的血淋淋的Bug发生后才了解到的一种案例。看一个简单的三目运算符的代码：

`boolean flag = true; Integer i = 0; int j = 1; int k = flag ? i : j;`

很多人不知道，其实在`int k = flag ? i : j;`这一行，会发生自动拆箱。反编译后代码如下：

这其实是三目运算符的语法规范：当第二，第三位操作数分别为基本类型和对象时，其中的对象就会拆箱为基本类型进行操作。

`boolean flag = true; Integer i = Integer.valueOf(0); int j = 1; int k = flag ? i.intValue() : j;` 片段中，第二段的i是一个包装类型的对象，而第三段的j是一个基本类型，所以会对包装类进行自动拆箱。如果这个时候i的值为 `null`，那么久会发生NPE。

### 场景五、函数参数与返回值 ###

这个比较容易理解，直接上代码了：

`//自动拆箱 public int getNum1(Integer num) {  return num; } //自动装箱 public Integer getNum2(int num) {  return num; }`

# 7、自动拆装箱与缓存 #

Java SE的自动拆装箱还提供了一个和缓存有关的功能，我们先来看以下代码，猜测一下输出结果：

`public static void main(String... strings) {`

Integer integer1 = 3;  
    Integer integer2 = 3;

if (integer1 == integer2)  
        System.out.println(“integer1 == integer2”);  
    else  
        System.out.println(“integer1 != integer2”);

Integer integer3 = 300;  
    Integer integer4 = 300;

if (integer3 == integer4)  
        System.out.println(“integer3 == integer4”);  
    else  
        System.out.println(“integer3 != integer4”);

我们普遍认为上面的两个判断的结果都是false。虽然比较的值是相等的，但是由于比较的是对象，而对象的引用不一样，所以会认为两个if判断都是false的。

在Java中，==比较的是对象应用，而equals比较的是值。

所以，在这个例子中，不同的对象有不同的引用，所以在进行比较的时候都将返回false。奇怪的是，这里两个类似的if条件判断返回不同的布尔值。

上面这段代码真正的输出结果：

`integer1 == integer2 integer3 != integer4`

**原因就和Integer中的缓存机制有关。**在Java 5中，在Integer的操作上引入了一个新功能来节省内存和提高性能。整型对象通过使用相同的对象引用实现了缓存和重用。

> 适用于整数值区间-128 至 +127。
> 
>  
> 
> 只适用于自动装箱。使用构造函数创建对象不适用。

具体的代码实现可以阅读[Java中整型的缓存机制][Java]一文，这里不再阐述。

我们只需要知道，当需要进行自动装箱时，如果数字在-128至127之间时，会直接使用缓存中的对象，而不是重新创建一个对象。

其中的javadoc详细的说明了缓存支持-128到127之间的自动装箱过程。最大值127可以通过`-XX:AutoBoxCacheMax=size`修改。

实际上这个功能在Java 5中引入的时候,范围是固定的-128 至 +127。后来在Java 6中，可以通过`java.lang.Integer.IntegerCache.high`设置最大值。

这使我们可以根据应用程序的实际情况灵活地调整来提高性能。到底是什么原因选择这个-128到127范围呢？因为这个范围的数字是最被广泛使用的。 在程序中，第一次使用Integer的时候也需要一定的额外时间来初始化这个缓存。

在Boxing Conversion部分的Java语言规范(JLS)规定如下：

如果一个变量p的值是：

`-128至127之间的整数(§3.10.1) true 和 false的布尔值 (§3.10.3) ‘\u0000’至 ‘\u007f’之间的字符(§3.10.4)`

范围内的时，将p包装成a和b两个对象时，可以直接使用a==b判断a和b的值是否相等。

# 8、自动拆装箱带来的问题 #

当然，自动拆装箱是一个很好的功能，大大节省了开发人员的精力，不再需要关心到底什么时候需要拆装箱。但是，他也会引入一些问题。

> 包装对象的数值比较，不能简单的使用`==`，虽然-128到127之间的数字可以，但是这个范围之外还是需要使用`equals`比较。
> 
>  
> 
> 前面提到，有些场景会进行自动拆装箱，同时也说过，由于自动拆箱，如果包装类对象为null，那么自动拆箱时就有可能抛出NPE。
> 
>  
> 
> 如果一个for循环中有大量拆装箱操作，会浪费很多资源。

[Java]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3NzE0NjcwMg==&mid=402060056&idx=1&sn=1cd47760783b32b30e659398d36b233b&scene=21#wechat_redirect