夯实Java基础系列8深入理解Java内部类及其实现原理

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Java 基本数据类型
- Java 的两大数据类型:
  - 内置数据类型
  - 引用类型
  - Java 常量
- 自动拆箱和装箱（详解）
  - 简易实现
  - 自动装箱与拆箱中的“坑”
  - 了解基本类型缓存（常量池）的最佳实践
  - 总结：
- 基本数据类型的存储方式
  - 存在栈中：
  - 存在堆里
- 参考文章
- 微信公众号
  - Java 技术江湖
  - 个人公众号：黄小斜

- Java 基本数据类型

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该系列博文会告诉你如何从入门到进阶，一步步地学习 Java 基础知识，并上手进行实战，接着了解每个 Java 知识点背后的实现原理，更完整地了解整个 Java 技术体系，形成自己的知识框架。为了更好地总结和检验你的学习成果，本系列文章也会提供每个知识点对应的面试题以及参考答案。

如果对本系列文章有什么建议，或者是有什么疑问的话，也可以关注公众号【Java 技术江湖】联系作者，欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

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变量就是申请内存来存储值。也就是说，当创建变量的时候，需要在内存中申请空间。

内存管理系统根据变量的类型为变量分配存储空间，分配的空间只能用来储存该类型数据。

因此，通过定义不同类型的变量，可以在内存中储存整数、小数或者字符。

内置数据类型
引用数据类型
- *

Java 语言提供了八种基本类型。六种数字类型（四个整数型，两个浮点型），一种字符类型，还有一种布尔型。

byte：

byte 数据类型是 8 位、有符号的，以二进制补码表示的整数；
最小值是 -128（-2^7）；
最大值是 127（2^7-1）；
默认值是 0；
byte 类型用在大型数组中节约空间，主要代替整数，因为 byte 变量占用的空间只有 int 类型的四分之一；
例子：byte a = 100，byte b = -50。

short：

short 数据类型是 16 位、有符号的以二进制补码表示的整数
最小值是 -32768（-2^15）；
最大值是 32767（2^15 – 1）；
Short 数据类型也可以像 byte 那样节省空间。一个 short 变量是 int 型变量所占空间的二分之一；
默认值是 0；
例子：short s = 1000，short r = -20000。

int：

int 数据类型是 32 位、有符号的以二进制补码表示的整数；
最小值是 -2,147,483,648（-2^31）；
最大值是 2,147,483,647（2^31 – 1）；
一般地整型变量默认为 int 类型；
默认值是 0；
例子：int a = 100000, int b = -200000。

long：

long 数据类型是 64 位、有符号的以二进制补码表示的整数；
最小值是 -9,223,372,036,854,775,808（-2^63）；
最大值是 9,223,372,036,854,775,807（2^63 -1）；
这种类型主要使用在需要比较大整数的系统上；
默认值是 0L；
例子：long a = 100000L，Long b = -200000L。
“L” 理论上不分大小写，但是若写成 ”l” 容易与数字 ”1″ 混淆，不容易分辩。所以最好大写。

float：

float 数据类型是单精度、32 位、符合 IEEE 754 标准的浮点数；
float 在储存大型浮点数组的时候可节省内存空间；
默认值是 0.0f；
浮点数不能用来表示精确的值，如货币；
例子：float f1 = 234.5f。

double：

double 数据类型是双精度、64 位、符合 IEEE 754 标准的浮点数；
浮点数的默认类型为 double 类型；
double 类型同样不能表示精确的值，如货币；
默认值是 0.0d；
例子：double d1 = 123.4。

boolean：

boolean 数据类型表示一位的信息；
只有两个取值：true 和 false；
这种类型只作为一种标志来记录 true/false 情况；
默认值是 false；
例子：boolean one = true。

char：

char 类型是一个单一的 16 位 Unicode 字符；
最小值是 u0000（即为 0）；
最大值是 uffff（即为 65,535）；
char 数据类型可以储存任何字符；
例子：char letter = ‘A’;。

// 8 位
byte bx = Byte.MAX_VALUE;
byte bn = Byte.MIN_VALUE;
//16 位
short sx = Short.MAX_VALUE;
short sn = Short.MIN_VALUE;
//32 位
int ix = Integer.MAX_VALUE;
int in = Integer.MIN_VALUE;
//64 位
long lx = Long.MAX_VALUE;
long ln = Long.MIN_VALUE;
//32 位
float fx = Float.MAX_VALUE;
float fn = Float.MIN_VALUE;
//64 位
double dx = Double.MAX_VALUE;
double dn = Double.MIN_VALUE;
//16 位
char cx = Character.MAX_VALUE;
char cn = Character.MIN_VALUE;
// 1 位
boolean bt = Boolean.TRUE;
boolean bf = Boolean.FALSE;

127
-128
32767
-32768
2147483647
-2147483648
9223372036854775807
-9223372036854775808
3.4028235E38
1.4E-45
1.7976931348623157E308
4.9E-324

true
false

在 Java 中，引用类型的变量非常类似于 C /C++ 的指针。引用类型指向一个对象，指向对象的变量是引用变量。这些变量在声明时被指定为一个特定的类型，比如 Employee、Puppy 等。变量一旦声明后，类型就不能被改变了。
对象、数组都是引用数据类型。
所有引用类型的默认值都是 null。
一个引用变量可以用来引用任何与之兼容的类型。
例子：Site site = new Site(“Runoob”)。

常量在程序运行时是不能被修改的。

在 Java 中使用 final 关键字来修饰常量，声明方式和变量类似：

final double PI = 3.1415927;

虽然常量名也可以用小写，但为了便于识别，通常使用大写字母表示常量。

字面量可以赋给任何内置类型的变量。例如：

byte a = 68;
char a = 'A'

Java 5 增加了自动装箱与自动拆箱机制，方便基本类型与包装类型的相互转换操作。在 Java 5 之前，如果要将一个 int 型的值转换成对应的包装器类型 Integer，必须显式的使用 new 创建一个新的 Integer 对象，或者调用静态方法 Integer.valueOf()。

// 在 Java 5 之前，只能这样做
Integer value = new Integer(10);
// 或者这样做
Integer value = Integer.valueOf(10);
// 直接赋值是错误的
//Integer value = 10;`

在 Java 5 中，可以直接将整型赋给 Integer 对象，由编译器来完成从 int 型到 Integer 类型的转换，这就叫自动装箱。

// 在 Java 5 中，直接赋值是合法的，由编译器来完成转换
Integer value = 10;
与此对应的，自动拆箱就是可以将包装类型转换为基本类型，具体的转换工作由编译器来完成。
// 在 Java 5 中可以直接这么做
Integer value = new Integer(10);
int i = value;

自动装箱与自动拆箱为程序员提供了很大的方便，而在实际的应用中，自动装箱与拆箱也是使用最广泛的特性之一。自动装箱和自动拆箱其实是 Java 编译器提供的一颗语法糖（语法糖是指在计算机语言中添加的某种语法，这种语法对语言的功能并没有影响，但是更方便程序员使用。通过可提高开发效率，增加代码可读性，增加代码的安全性）。

在八种包装类型中，每一种包装类型都提供了两个方法：

静态方法 valueOf(基本类型)：将给定的基本类型转换成对应的包装类型；

实例方法 xxxValue()：将具体的包装类型对象转换成基本类型；
下面我们以 int 和 Integer 为例，说明 Java 中自动装箱与自动拆箱的实现机制。看如下代码：

class Auto //code1
{

public static void main(String[] args) 
{
    // 自动装箱
    Integer inte = 10;
    // 自动拆箱
    int i = inte;

    // 再 double 和 Double 来验证一下
    Double doub = 12.40;
    double d = doub;
    
}

}
上面的代码先将 int 型转为 Integer 对象，再讲 Integer 对象转换为 int 型，毫无疑问，这是可以正确运行的。可是，这种转换是怎么进行的呢？使用反编译工具，将生成的 Class 文件在反编译为 Java 文件，让我们看看发生了什么：
class Auto//code2
{
public static void main(String[] paramArrayOfString)
{

Integer localInteger = Integer.valueOf(10);

int i = localInteger.intValue();

Double localDouble = Double.valueOf(12.4D);
double d = localDouble.doubleValue();

}
}
我们可以看到经过 javac 编译之后，code1 的代码被转换成了 code2，实际运行时，虚拟机运行的就是 code2 的代码。也就是说，虚拟机根本不知道有自动拆箱和自动装箱这回事；在将 Java 源文件编译为 class 文件的过程中，javac 编译器在自动装箱的时候，调用了 Integer.valueOf()方法，在自动拆箱时，又调用了 intValue()方法。我们可以看到，double 和 Double 也是如此。
实现总结：其实自动装箱和自动封箱是编译器为我们提供的一颗语法糖。在自动装箱时，编译器调用包装类型的 valueOf()方法；在自动拆箱时，编译器调用了相应的 xxxValue()方法。

在使用自动装箱与自动拆箱时，要注意一些陷阱，为了避免这些陷阱，我们有必要去看一下各种包装类型的源码。

Integer 源码

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {

private final int value;

/*Integer 的构造方法，接受一个整型参数,Integer 对象表示的 int 值，保存在 value 中 */
 public Integer(int value) {this.value = value;}
 
/*equals()方法判断的是: 所代表的 int 型的值是否相等 */
 public boolean equals(Object obj) {if (obj instanceof Integer) {return value == ((Integer)obj).intValue();}
        return false;
}
 
/* 返回这个 Integer 对象代表的 int 值，也就是保存在 value 中的值 */
 public int intValue() {return value;}
 
 /**
  * 首先会判断 i 是否在 [IntegerCache.low,Integer.high] 之间
  * 如果是，直接返回 Integer.cache 中相应的元素
  * 否则，调用构造方法，创建一个新的 Integer 对象
  */
 public static Integer valueOf(int i) {
    assert IntegerCache.high >= 127;
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
 }

/**
  * 静态内部类，缓存了从 [low,high] 对应的 Integer 对象
  * low -128 这个值不会被改变
  * high 默认是 127，可以改变，最大不超过：Integer.MAX_VALUE - (-low) -1
  * cache 保存从 [low,high] 对象的 Integer 对象
 */
 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;
        String integerCacheHighPropValue =
            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
        if (integerCacheHighPropValue != null) {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);
        }
        high = h;
 
        cache = new Integer[(high - low) + 1];
        int j = low;
        for(int k = 0; k < cache.length; k++)
            cache[k] = new Integer(j++);
    }
 
    private IntegerCache() {}
}

}
以上是 Oracle(Sun)公司 JDK 1.7 中 Integer 源码的一部分，通过分析上面的代码，得到：
1）Integer 有一个实例域 value，它保存了这个 Integer 所代表的 int 型的值，且它是 final 的，也就是说这个 Integer 对象一经构造完成，它所代表的值就不能再被改变。
2）Integer 重写了 equals()方法，它通过比较两个 Integer 对象的 value，来判断是否相等。
3）重点是静态内部类 IntegerCache，通过类名就可以发现：它是用来缓存数据的。它有一个数组，里面保存的是连续的 Integer 对象。
(a) low：代表缓存数据中最小的值，固定是 -128。
(b) high：代表缓存数据中最大的值，它可以被该改变，默认是 127。high 最小是 127，最大是 Integer.MAX_VALUE-(-low)-1，如果 high 超过了这个值，那么 cache[]的长度就超过 Integer.MAX_VALUE 了，也就溢出了。
(c) cache[]：里面保存着从 [low,high] 所对应的 Integer 对象，长度是 high-low+1(因为有元素 0，所以要加 1)。
4）调用 valueOf(int i)方法时，首先判断 i 是否在 [low,high] 之间，如果是，则复用 Integer.cache[i-low]。比如，如果 Integer.valueOf(3)，直接返回 Integer.cache[131]；如果 i 不在这个范围，则调用构造方法，构造出一个新的 Integer 对象。
5）调用 intValue()，直接返回 value 的值。
通过 3）和 4）可以发现，默认情况下，在使用自动装箱时，VM 会复用 [-128,127] 之间的 Integer 对象。

Integer a1 = 1;
Integer a2 = 1;
Integer a3 = new Integer(1);
// 会打印 true，因为 a1 和 a2 是同一个对象, 都是 Integer.cache[129]
System.out.println(a1 == a2);
//false，a3 构造了一个新的对象，不同于 a1,a2
System.out.println(a1 == a3);

// 基本数据类型的常量池是 -128 到 127 之间。// 在这个范围中的基本数据类的包装类可以自动拆箱，比较时直接比较数值大小。public static void main(String[] args) {
    //int 的自动拆箱和装箱只在 -128 到 127 范围中进行，超过该范围的两个 integer 的 == 判断是会返回 false 的。Integer a1 = 128;
    Integer a2 = -128;
    Integer a3 = -128;
    Integer a4 = 128;
    System.out.println(a1 == a4);
    System.out.println(a2 == a3);

    Byte b1 = 127;
    Byte b2 = 127;
    Byte b3 = -128;
    Byte b4 = -128;
    //byte 都是相等的，因为范围就在 -128 到 127 之间
    System.out.println(b1 == b2);
    System.out.println(b3 == b4);

    //
    Long c1 = 128L;
    Long c2 = 128L;
    Long c3 = -128L;
    Long c4 = -128L;
    System.out.println(c1 == c2);
    System.out.println(c3 == c4);

    //char 没有负值
    // 发现 char 也是在 0 到 127 之间自动拆箱
    Character d1 = 128;
    Character d2 = 128;
    Character d3 = 127;
    Character d4 = 127;
    System.out.println(d1 == d2);
    System.out.println(d3 == d4);

结果

false
true
true
true
false
true
false
true

    Integer i = 10;
    Byte b = 10;
    // 比较 Byte 和 Integer. 两个对象无法直接比较，报错
    //System.out.println(i == b);
    System.out.println("i == b" + i.equals(b));
    // 答案是 false, 因为包装类的比较时先比较是否是同一个类，不是的话直接返回 false.
    int ii = 128;
    short ss = 128;
    long ll = 128;
    char cc = 128;
    System.out.println("ii == bb" + (ii == ss));
    System.out.println("ii == ll" + (ii == ll));
    System.out.println("ii == cc" + (ii == cc));
    
    结果
    i == b false
    ii == bb true
    ii == ll true
    ii == cc true
    
    // 这时候都是 true，因为基本数据类型直接比较值，值一样就可以。

通过上面的代码，我们分析一下自动装箱与拆箱发生的时机：

（1）当需要一个对象的时候会自动装箱，比如 Integer a = 10;equals(Object o)方法的参数是 Object 对象，所以需要装箱。

（2）当需要一个基本类型时会自动拆箱，比如 int a = new Integer(10); 算术运算是在基本类型间进行的，所以当遇到算术运算时会自动拆箱，比如代码中的 c == (a + b);

（3）包装类型 == 基本类型时，包装类型自动拆箱；

需要注意的是：“==”在没遇到算术运算时，不会自动拆箱；基本类型只会自动装箱为对应的包装类型，代码中最后一条说明的内容。

在 JDK 1.5 中提供了自动装箱与自动拆箱，这其实是 Java 编译器的语法糖，编译器通过调用包装类型的 valueOf()方法实现自动装箱，调用 xxxValue()方法自动拆箱。自动装箱和拆箱会有一些陷阱，那就是包装类型复用了某些对象。

（1）Integer 默认复用了 [-128,127] 这些对象，其中高位置可以修改；

（2）Byte 复用了全部 256 个对象[-128,127]；

（3）Short 服用了 [-128,127] 这些对象；

（4）Long 服用了[-128,127];

（5）Character 复用了[0,127],Charater 不能表示负数;

Double 和 Float 是连续不可数的，所以没法复用对象，也就不存在自动装箱复用陷阱。

Boolean 没有自动装箱与拆箱，它也复用了 Boolean.TRUE 和 Boolean.FALSE，通过 Boolean.valueOf(boolean b)返回的 Blooean 对象要么是 TRUE，要么是 FALSE，这点也要注意。

本文介绍了“真实的”自动装箱与拆箱，为了避免写出错误的代码，又从包装类型的源码入手，指出了各种包装类型在自动装箱和拆箱时存在的陷阱，同时指出了自动装箱与拆箱发生的时机。

上面自动拆箱和装箱的原理其实与常量池有关。

public void(int a)
{
int i = 1;
int j = 1;
}
方法中的 i 存在虚拟机栈的局部变量表里，i 是一个引用，j 也是一个引用，它们都指向局部变量表里的整型值 1.
int a 是传值引用，所以 a 也会存在局部变量表。

class A{
int i = 1;
A a = new A();
}
i 是类的成员变量。类实例化的对象存在堆中，所以成员变量也存在堆中，引用 a 存的是对象的地址，引用 i 存的是值，这个值 1 也会存在堆中。可以理解为引用 i 指向了这个值 1。也可以理解为 i 就是 1.

3 包装类对象怎么存
其实我们说的常量池也可以叫对象池。
比如 String a= new String(“a”).intern()时会先在常量池找是否有“a” 对象如果有的话直接返回“a” 对象在常量池的地址，即让引用 a 指向常量”a” 对象的内存地址。
public native String intern();
Integer 也是同理。

下图是 Integer 类型在常量池中查找同值对象的方法。

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

所以基本数据类型的包装类型可以在常量池查找对应值的对象，找不到就会自动在常量池创建该值的对象。

而 String 类型可以通过 intern 来完成这个操作。

JDK1.7 后，常量池被放入到堆空间中，这导致 intern()函数的功能不同，具体怎么个不同法，且看看下面代码，这个例子是网上流传较广的一个例子，分析图也是直接粘贴过来的，这里我会用自己的理解去解释这个例子：

 view plain copy
String s = new String("1");  
s.intern();  
String s2 = "1";  
System.out.println(s == s2);  
  
String s3 = new String("1") + new String("1");  
s3.intern();  
String s4 = "11";  
System.out.println(s3 == s4);  
输出结果为：view plain copy
JDK1.6 以及以下：false false  
JDK1.7 以及以上：false true

JDK1.6 查找到常量池存在相同值的对象时会直接返回该对象的地址。

JDK 1.7 后，intern 方法还是会先去查询常量池中是否有已经存在，如果存在，则返回常量池中的引用，这一点与之前没有区别，区别在于，如果在常量池找不到对应的字符串，则不会再将字符串拷贝到常量池，而只是在常量池中生成一个对原字符串的引用。

那么其他字符串在常量池找值时就会返回另一个堆中对象的地址。

下一节详细介绍 String 以及相关包装类。

具体请见：https://blog.csdn.net/a724888…

关于 Java 面向对象三大特性，请参考：

https://blog.csdn.net/a724888…

https://www.runoob.com/java/j…

https://www.cnblogs.com/zch11…

https://blog.csdn.net/jreffch…

https://blog.csdn.net/yuhongy…

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作者是 985 硕士，蚂蚁金服 JAVA 工程师，专注于 JAVA 后端技术栈：SpringBoot、MySQL、分布式、中间件、微服务，同时也懂点投资理财，偶尔讲点算法和计算机理论基础，坚持学习和写作，相信终身学习的力量！

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