学习Java——自动拆装箱

一时失言乱红尘 2024-03-25 20:41 65阅读 0赞

**目录**

引言

基本数据类型

数据类型有什么好处

整数的取值范围

超出范围怎么办

包装类型

为什么需要包装类

拆箱与装箱

自动拆箱与装箱

实现原理

哪些场景会用到

场景一、将基本数据类型放入集合类

场景二、包装类型和基本类型的大小比较

场景三、包装类型的运算

场景四、三目运算符的使用

场景五、函数参数与返回值

自动拆装箱与缓存

自动拆装箱带来的问题

参考资料

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## 引言 ##

之前写过一篇介绍128陷阱以及自动拆装箱的博客：[https://blog.csdn.net/L170311/article/details/129265072?spm=1001.2014.3001.5501][https_blog.csdn.net_L170311_article_details_129265072_spm_1001.2014.3001.5501]；

这篇文章通过官方理解再来介绍一下自动拆装箱，温故而知新☺

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## 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`
> 
> 数值类型 `byte`、`short`、`int`、`long`、`float`、`double`。

数值类型又可以分为整数类型 `byte`、`short`、`int`、`long` 和浮点数类型 `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。

## 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。

## 整数的取值范围 ##

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 8 bit 可以表示的数字：  
> 最小值：10000000 （-128）(-2^7)  
> 最大值：01111111（127）(2^7-1)

整数的几个类型：

>  *  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：

public static void main(String[] args) {
            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)

![c4f87fe47567498d8a0a72bf9225a516.png][]

**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。**

## 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 style="width:500px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>基本数据类型</td> 
   <td>byte</td> 
   <td>int</td> 
   <td>short</td> 
   <td>long</td> 
   <td>double</td> 
   <td>float</td> 
   <td>char</td> 
   <td>boolean</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>包装类</td> 
   <td>Byte</td> 
   <td>Integer</td> 
   <td>Short</td> 
   <td>Long</td> 
   <td>Double</td> 
   <td>Float</td> 
   <td>Character</td> 
   <td>Boolean</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</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。

## 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);

## 自动拆箱与装箱 ##

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。

### 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。

### 哪些场景会用到 ###

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<Integer> 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);

反编译后代码如下：

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（ JDK1.8 之前，详见：《阿里巴巴Java开发手册-泰山版》提到的三目运算符的空指针问题到底是个怎么回事？ ）。反编译后代码如下：

boolean flag = true;
        Integer i = Integer.valueOf(0);
        int j = 1;
        int k = flag ? i.intValue() : j;
        System.out.println(k);

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。

因为例子中，flag ? i : 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，那么就会发生 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;
        }

## 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，`==` 比较的是对象引用，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：![2daf45be89f7416a9b6ecd33d08b7408.png][]

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。

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。

## 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。

## 参考资料 ##

[Java 的自动拆装箱][Java]

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![981201f5a2b249e7aa19e87b0a707653.jpeg][]

[https_blog.csdn.net_L170311_article_details_129265072_spm_1001.2014.3001.5501]: https://blog.csdn.net/L170311/article/details/129265072?spm=1001.2014.3001.5501
[c4f87fe47567498d8a0a72bf9225a516.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/418d1357619547378d04523ee9e1a830.png
[2daf45be89f7416a9b6ecd33d08b7408.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/b5f541c343cd40419b43b04969c63a05.png
[Java]: https://www.jianshu.com/p/cc9312104876
[981201f5a2b249e7aa19e87b0a707653.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/311c22358d9f4979a5c9d747c8aa2101.png