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Java自动拆装箱(Autoboxing and unboxing)学习

2018年10月30日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

在学习并发的过程中，用“boolean bool = true”的自动装箱方式初始化了两个对象锁去锁两块代码，结果运行的时候出现了竞争等待，调试了一下发现两个锁变量指向的是同一个对象，由此可见我对自动拆装箱的机制想的太简单了，查了一下，发现这个机制还挺细节，那就记录一下：

本文主要有以下几个方面：

  • 什么是自动拆装箱
  • 拆装箱的实现
  • 拆装箱发生的场景
  • 关于string
  • 回首望月

尝试的第一篇博客，不当之处，求轻喷！

 

一. 什么是自动拆箱与装箱

我们都知道，java定义了8种基本类型和与之对应的8中包装器，其中6种数据类型，1种字符类型以及1种布尔类型： 

在java5之前，定义生成一个integer包装器类型的对象，只能通过以下方式：

1 integer i = new integer(0);

java5支持了基本类型和对应的包装类型之前的自动转换机制，即自动拆箱（包装器类型转换成基本类型）与装箱（基本类型封装成包装器类型）。于是，就有了以下两行代码：

1 integer i = 0; //自动装箱
2 int j = i; //自动拆箱
 

二. 自动拆装箱的实现（int-integer为例）

我们将下面自动拆装箱的代码反编译一下，拆装箱的动作就一目了然。 

1 public class maintest {
2     public static void main(string[] args) {
3         integer i = 0;
4         int j = i;
5     }
6 }

编译后：

通过反编译的结果看，在"integer i = 0"自动装箱的过程中，调用了integer.valueof(int i)方法；在"int j = i;"的自动装箱的过程中，调用了integer.intvalue()方法。

其中，拆箱方法integer.intvalue()方法很简单：

1      /**
2      * returns the value of this {@code integer} as an
3      * {@code int}.
4      */
5     public int intvalue() {
6         return value;
7     }

只是返回了当前对象的value值，没什么好说的。

 

但是装箱方法integer.valueof(int i)就有细节了，一起看下：

 1     /**
 2      * returns an {@code integer} instance representing the specified
 3      * {@code int} value.  if a new {@code integer} instance is not
 4      * required, this method should generally be used in preference to
 5      * the constructor {@link #integer(int)}, as this method is likely
 6      * to yield significantly better space and time performance by
 7      * caching frequently requested values.
 8      *
 9      * this method will always cache values in the range -128 to 127,
10      * inclusive, and may cache other values outside of this range.
11      *
12      * @param  i an {@code int} value.
13      * @return an {@code integer} instance representing {@code i}.
14      * @since  1.5
15      */
16     public static integer valueof(int i) {
17         if (i >= integercache.low && i <= integercache.high)
18             return integercache.cache[i + (-integercache.low)];
19         return new integer(i);
20     }

这边的源码比预想的多了一个细节操作，值落在[integercache.low, integercache.high]区间上时，是直接从一个integer类型的缓存数组integercache.cache中取一个对象返回出去，值不在这个区间时才new一个新对象返回。 
看一下integercache的实现，它是integer类的一个私有静态内部类：

 1     /**
 2      * cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between
 3      * -128 and 127 (inclusive) as required by jls.
 4      *
 5      * the cache is initialized on first usage.  the size of the cache
 6      * may be controlled by the {@code -xx:autoboxcachemax=<size>} option.
 7      * during vm initialization, java.lang.integer.integercache.high property
 8      * may be set and saved in the private system properties in the
 9      * sun.misc.vm class.
10      */
11 
12     private static class integercache {
13         static final int low = -128;
14         static final int high;
15         static final integer cache[];
16 
17         static {
18             // high value may be configured by property
19             int h = 127;
20             string integercachehighpropvalue =
21                 sun.misc.vm.getsavedproperty("java.lang.integer.integercache.high");
22             if (integercachehighpropvalue != null) {
23                 try {
24                     int i = parseint(integercachehighpropvalue);
25                     i = math.max(i, 127);
26                     // maximum array size is integer.max_value
27                     h = math.min(i, integer.max_value - (-low) -1);
28                 } catch( numberformatexception nfe) {
29                     // if the property cannot be parsed into an int, ignore it.
30                 }
31             }
32             high = h;
33 
34             cache = new integer[(high - low) + 1];
35             int j = low;
36             for(int k = 0; k < cache.length; k++)
37                 cache[k] = new integer(j++);
38 
39             // range [-128, 127] must be interned (jls7 5.1.7)
40             assert integercache.high >= 127;
41         }
42 
43         private integercache() {}
44     }

integercache中有3个final类型的变量：

low：-128（一个字节能够表示的最小值）； 
high：127（一个字节能够表示的最大值），jvm中设置的属性值（通过-xx:autoboxcachemax=设置）二者取大值，再和integer.max_value取小值； 
cache：在静态块中初始化为由区间[low, high]上的所有整数组成的升序数组。

综上，java在虚拟机堆内存中维持了一个缓存池，在装箱的过程中，如果发现目标包装器对象在缓存池中已经存在，就直接取缓存池中的，否则就新建一个对象。

测试一下：

 1     public static void main(string[] args) {
 2         integer i = 127;
 3         integer j = 127;
 4         system.out.println(system.identityhashcode(i));  //本地输出i的地址：1173230247
 5         system.out.println(system.identityhashcode(j));  //本地输出j的地址：1173230247
 6         
 7         integer m = 128;
 8         integer n = 128;
 9         system.out.println(system.identityhashcode(m));  //本地输出m的地址：856419764
10         system.out.println(system.identityhashcode(n));  //本地输出n的地址：621009875
11     }

由测试结果来看，值为127时，两次装箱返回的是同一个对象，值为128时，两次装箱返回的是不同的对象。

 

因为小数的区间取值无限，所以float->float，double->double两种类型装箱机制没有缓存机制，其他5中基本类型的封装机制也是类似int->integer的装箱套路，不过缓存的边界不可改变：

基本类型包装器类型缓存区间缓存是否可变
byte byte [-128, 127] 不可变
short short [-128, 127] 不可变
int integer [-128, 127] 上限可设置
long long [-128, 127] 不可变
float float -- --
double double -- --
char character [0, 127] 不可变
boolean boolean {true, false} 不可变

因为基本类型对应的包装器都是不可变类，多以他们的缓存区间一旦初始化，里面的值就无法再改变，所以在jvm运行过程中，所有的基本类型包装器的缓存池都是不变的。

 

三. 拆装箱发生的场景

1.定义变量和方法参数传递：

这里的拆装箱是指开发者通过编写代码控制的拆装箱，比较明显：

 1     public static void main(string[] args) {
 2         integer i = 0;   //装箱
 3         int j = i;       //拆箱
 4         aa(i);           //拆箱，传值时发生了：int fi = i;
 5         bb(j);           //装箱，传值时发生了：integer fi = j;
 6     }
 7     private static void aa(int fi){
 8     }
 9     private static void bb(integer fi){
10     }

 

2.运算时拆箱

我们都知道，当一个变量的定义类型不是基本类型，其实变量的值是对象的在虚拟机中的地址，当用初始化后的包装器类型变量进行运算时，会发生什么呢？

1.“+，-，*，/ ...”等运算时拆箱

当用包装器类型的数据进行运算时，java会先执行拆箱操作，然后进行运算。

1 public class maintest {
2     public static void main(string[] args) {
3         integer i = 127;
4         integer j = 127;
5         i = i + j;
6     }
7 }

将上面一段代码反编译： 

发现，除了在分别源码的3,4行进行了装箱操作后，在执行add操作之前，有两次拆箱操作，add之后，又把结果装箱赋值给变量i。

2.“==”判等运算

“==”运算比较特殊：

a == b

  • 当a,b都是基本类型时，直接进行比较两个变量的值是否相等
  • 当a,b都是包装器类型时，比较两个变量指向的对象所在的地址是否相等
  • 当a,b中有一个是基本类型时，会将另一个包装器类型拆箱成基本类型，然后再进行基本类型的判等比较

测试如下：

1     public static void main(string[] args) {
2         int m = 128;
3         int n = 128;
4         integer i = 128;
5         integer j = 128;
6         system.out.println(m == n);  //输出：true
7         system.out.println(m == i);  //输出：true
8         system.out.println(i == j);  //输出：false
9     }

前文已经说了，jvm没有设置integer类型的缓存上限的时候，128不在缓存池内，所以两次封装后的对象是不同的对象。在此基础上：

  • 第6行输出true：如果比较的是装箱后的对象地址，结果肯定是false，实际结果是true，说明比较的是基本类型的值，没有发生自动拆装箱动作
  • 第7行输出true：如果比较的是装箱后的对象地址，结果肯定是false，实际结果是true，说明比较的是基本类型的值，那么包装器类型的变量肯定进行了自动拆箱动作
  • 第8行输出false：如果比较的是拆箱后的基本类型的值，结果肯定是true，实际结果是false，说明比较的是对象的地址，没有发生自动拆装箱动作

看一下反编译的结果： 

对应源码中除了第4、5行出现了自动装箱动作，就只有在第7行发生了自动拆箱动作。

 

四. 关于string类型

string类型没有对应的基本类型，所以没有自动拆装箱的机制，之所以在这里提一下，是因为string的初始化过程和自动装箱的过程很像。

 1     public static void main(string[] args) {
 2         string s1 = "hello";
 3         string s2 = "hello";
 4         string s3 = new string("hello");
 5         string s4 = new string("hello");
 6         system.out.println(system.identityhashcode(s1)); //输出s1地址：1173230247
 7         system.out.println(system.identityhashcode(s2)); //输出s2地址：1173230247
 8         system.out.println(system.identityhashcode(s3)); //输出s3地址：856419764
 9         system.out.println(system.identityhashcode(s4)); //输出s5地址：621009875
10     }

从上面的输出结果可以看出，两个直接用字符串赋值的变量s1,s2指向的是同一个对象，而new string()生成对象赋值的变量s3,s4则是不同的对象。 
其实，jvm中存在一个字符串缓存池，当直接使用字符串初始化变量的时候，java会先到字符串缓存池中查看有没有相同值的string对象，如果有，直接返回缓存池中的对象；如果没有，就new出一个新的对象存入缓存池，再返回这个对象。而string的不可变性质则能保证在对象共享的过程中不会出现线程安全问题。 
与基本类型的缓存池相比，string类型的缓存池在运行时是动态变化的。

 

五. 回首望月

回到最开始我碰到的问题，当我用“boolean bool = true”的自动装箱方式定义变量的时候，这两个变量其实指向的都是boolean类型的缓存池中的那个值为true的对象，所以用他们当做同步锁，其实是用的同一把锁，自然会出现竞争等待。

经验：当我们使用自动装箱机制初始化变量的时候，就相当于告诉java这里需要一个对象，而不是告诉java这里需要一个新的对象。当我们需要一个新的对象的时候，为了保险起见，自己new一个出来，比如锁。

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