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深入浅出Java拆箱与装箱:理解自动类型转换与包装类的关系

沉默王二Java核心Java重要知识点约 2977 字大约 10 分钟

13.3 深入剖析Java中的拆箱和装箱

“哥,听说 Java 的每个基本类型open in new window都对应了一个包装类型,比如说 int 的包装类型为 Integer,double 的包装类型为 Double,是这样吗?”从三妹这句话当中,能听得出来,她已经提前预习这块内容了。

“是的,三妹。基本类型和包装类型的区别主要有以下 4 点,我来带你学习一下。”我回答说。我们家的斜对面刚好是一所小学,所以时不时还能听到朗朗的读书声,让人心情非常愉快。

“三妹,你准备好了吗?我们开始吧。”

“第一,包装类型可以为 null,而基本类型不可以。别小看这一点区别,它使得包装类型可以应用于 POJO 中,而基本类型则不行。”

“POJO 是什么呢?”遇到不会的就问,三妹在这一点上还是非常兢兢业业的。

“POJO 的英文全称是 Plain Ordinary Java Object,翻译一下就是,简单无规则的 Java 对象,只有字段以及对应的 setter 和 getter 方法。”

class Writer {
	private Integer age;
	private String name;

	public Integer getAge() {
		return age;
	}

	public void setAge(Integer age) {
		this.age = age;
	}

	public String getName() {
		return name;
	}

	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
}

和 POJO 类似的,还有数据传输对象 DTO(Data Transfer Object,泛指用于展示层与服务层之间的数据传输对象)、视图对象 VO(View Object,把某个页面的数据封装起来)、持久化对象 PO(Persistant Object,可以看成是与数据库中的表映射的 Java 对象)。

“那为什么 POJO 的字段必须要用包装类型呢?”三妹问。

“《阿里巴巴 Java 开发手册open in new window》上有详细的说明,你看。”我打开 PDF,并翻到了对应的内容,指着屏幕念道。

数据库的查询结果可能是 null,如果使用基本类型的话,因为要自动拆箱,就会抛出 NullPointerException 的异常open in new window

“什么是自动拆箱呢?”

“自动拆箱指的是,将包装类型转为基本类型,比如说把 Integer 对象转换成 int 值;对应的,把基本类型转为包装类型,则称为自动装箱。”

“哦。”

“那接下来,我们来看第二点不同。包装类型可用于泛型,而基本类型不可以,否则就会出现编译错误。”一边说着,我一边在 Intellij IDEA 中噼里啪啦地敲了起来。

“三妹,你瞧,编译器提示错误了。”

List<int> list = new ArrayList<>(); // 提示 Syntax error, insert "Dimensions" to complete ReferenceType
List<Integer> list = new ArrayList<>();

“为什么呢?”三妹及时地问道。

“因为泛型open in new window在编译时会进行类型擦除,最后只保留原始类型,而原始类型只能是 Object 类及其子类——基本类型是个例外。”

“那,接下来,我们来说第三点,基本类型比包装类型更高效。”我喝了一口茶继续说道。

“作为局部变量时,基本类型在栈中直接存储的具体数值,而包装类型则存储的是堆中的引用。”我一边说着,一边打开 draw.ioopen in new window 画起了图。

很显然,相比较于基本类型而言,包装类型需要占用更多的内存空间,不仅要存储对象,还要存储引用。假如没有基本类型的话,对于数值这类经常使用到的数据来说,每次都要通过 new 一个包装类型就显得非常笨重。

“三妹,你想知道程序运行时,数据都存储在什么地方吗?”

“嗯嗯,哥,你说说呗。”

“通常来说,有 4 个地方可以用来存储数据。”

1)寄存器。这是最快的存储区,因为它位于 CPU 内部,用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

2)栈。位于 RAM(Random Access Memory,也叫主存,与 CPU 直接交换数据的内部存储器)中,速度仅次于寄存器。但是,在分配内存的时候,存放在栈中的数据大小与生存周期必须在编译时是确定的,缺乏灵活性。基本数据类型的值和对象的引用通常存储在这块区域。

3)堆。也位于 RAM 区,可以动态分配内存大小,编译器不必知道要从堆里分配多少存储空间,生存周期也不必事先告诉编译器,Java 的垃圾收集器会自动收走不再使用的数据,因此可以得到更大的灵活性。但是,运行时动态分配内存和销毁对象都需要占用时间,所以效率比栈低一些。new 创建的对象都会存储在这块区域。

4)磁盘。如果数据完全存储在程序之外,就可以不受程序的限制,在程序没有运行时也可以存在。像文件、数据库,就是通过持久化的方式,让对象存放在磁盘上。当需要的时候,再反序列化成程序可以识别的对象。

“能明白吗?三妹?”

“这节讲完后,我再好好消化一下。”

“那好,我们来说第四点,两个包装类型的值可以相同,但却不相等。”

Integer chenmo = new Integer(10);
Integer wanger = new Integer(10);

System.out.println(chenmo == wanger); // false
System.out.println(chenmo.equals(wanger )); // true

“两个包装类型在使用“==”进行判断的时候,判断的是其指向的地址是否相等,由于是两个对象,所以地址是不同的。”

“而 chenmo.equals(wanger) 的输出结果为 true,是因为 equals() 方法内部比较的是两个 int 值是否相等。”

private final int value;

public int intValue() {
    return value;
}
public boolean equals(Object obj) {
    if (obj instanceof Integer) {
        return value == ((Integer)obj).intValue();
    }
    return false;
}

虽然 chenmo 和 wanger 的值都是 10,但他们并不相等。换句话说就是:将“==”操作符应用于包装类型比较的时候,其结果很可能会和预期的不符。

“三妹,瞧,((Integer)obj).intValue() 这段代码就是用来自动拆箱的。下面,我们来详细地说一说自动装箱和自动拆箱。”

既然有基本类型和包装类型,肯定有些时候要在它们之间进行转换。把基本类型转换成包装类型的过程叫做装箱(boxing)。反之,把包装类型转换成基本类型的过程叫做拆箱(unboxing)。

在 Java 1.5 之前,开发人员要手动进行装拆箱,比如说:

Integer chenmo = new Integer(10); // 手动装箱
int wanger = chenmo.intValue();  // 手动拆箱

Java 1.5 为了减少开发人员的工作,提供了自动装箱与自动拆箱的功能。这下就方便了。

Integer chenmo  = 10;  // 自动装箱
int wanger = chenmo;     // 自动拆箱

来看一下反编译后的代码。

Integer chenmo = Integer.valueOf(10);
int wanger = chenmo.intValue();

也就是说,自动装箱是通过 Integer.valueOf() 完成的;自动拆箱是通过 Integer.intValue() 完成的。

“嗯,三妹,给你出一道面试题吧。”

// 1)基本类型和包装类型
int a = 100;
Integer b = 100;
System.out.println(a == b);

// 2)两个包装类型
Integer c = 100;
Integer d = 100;
System.out.println(c == d);

// 3)
c = 200;
d = 200;
System.out.println(c == d);

“给你 3 分钟时间,你先思考下,我去抽根华子,等我回来,然后再来分析一下为什么。”

。。。。。。

“嗯,哥,你过来吧,我说一说我的想法。”

第一段代码,基本类型和包装类型进行 == 比较,这时候 b 会自动拆箱,直接和 a 比较值,所以结果为 true。

第二段代码,两个包装类型都被赋值为了 100,这时候会进行自动装箱,按照你之前说的,将“==”操作符应用于包装类型比较的时候,其结果很可能会和预期的不符,我想结果可能为 false。

第三段代码,两个包装类型重新被赋值为了 200,这时候仍然会进行自动装箱,我想结果仍然为 false。

“嗯嗯,三妹,你分析的很有逻辑,但第二段代码的结果为 true,是不是感到很奇怪?”

“为什么会这样呀?”三妹急切地问。

“你说的没错,自动装箱是通过 Integer.valueOf() 完成的,我们来看看这个方法的源码就明白为什么了。”

public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

是不是看到了一个之前从来没见过的类——IntegerCacheopen in new window

“难道说是 Integer 的缓存类?”三妹做出了自己的判断。

“是的,来看一下 IntegerCache 的源码吧。”

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;
        int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
        i = Math.max(i, 127);
        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++);

        // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
        assert IntegerCache.high >= 127;
    }
}

大致瞟一下这段代码你就全明白了。-128 到 127 之间的数会从 IntegerCache 中取,然后比较,所以第二段代码(100 在这个范围之内)的结果是 true,而第三段代码(200 不在这个范围之内,所以 new 出来了两个 Integer 对象)的结果是 false。

“三妹,看完上面的分析之后,我希望你记住一点: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。”

“自动装拆箱是一个很好的功能,大大节省了我们开发人员的精力,但也会引发一些麻烦,比如下面这段代码,性能就很差。”

long t1 = System.currentTimeMillis();
Long sum = 0L;
for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE;i++) {
    sum += i;
}
long t2 = System.currentTimeMillis();        
System.out.println(t2-t1);

“知道为什么吗?三妹。”

“难道是因为 sum 被声明成了包装类型 Long 而不是基本类型 long。”三妹若有所思。

“是滴,由于 sum 是个 Long 型,而 i 为 int 类型,sum += i 在执行的时候,会先把 i 强转为 long 型,然后再把 sum 拆箱为 long 型进行相加操作,之后再自动装箱为 Long 型赋值给 sum。”

“三妹,你可以试一下,把 sum 换成 long 型比较一下它们运行的时间。”

。。。。。。

“哇,sum 为 Long 型的时候,足足运行了 5825 毫秒;sum 为 long 型的时候,只需要 679 毫秒。”

“好了,三妹,今天的主题就先讲到这吧。我再去来根华子。”


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