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一文读懂什么是Java中的自动拆装箱

本文主要介绍Java中的自动拆箱与自动装箱的有关知识。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。

作者:Hollis|2018-09-05 15:51

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本文主要介绍Java中的自动拆箱与自动装箱的有关知识。

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:

  1. 最小值:10000000 (-128)(-2^7) 
  2. 最大值:01111111(127)(2^7-1) 

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:

  1. int i = Integer.MAX_VALUE; 
  2. int j = Integer.MAX_VALUE; 
  3.  
  4. int k = i + j; 
  5. 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。

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

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:

  1. Integer i = new Integer(10); 

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。

  1. Integer i =10;  //自动装箱 
  2. 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。

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:

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

对以上代码进行反编译后可以得到以下代码:

  1. public static  void main(String[]args){ 
  2.     Integer integer=Integer.valueOf(1);  
  3.     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?

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

将上面代码进行反编译,可以得到以下代码:

  1. List<Integer> li = new ArrayList<>(); 
  2. for (int i = 1; i < 50; i += 2){ 
  3.     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:

  1. Integer a=1; 
  2. System.out.println(a==1?"等于":"不等于"); 
  3. Boolean bool=false
  4. System.out.println(bool?"真":"假"); 

对以上代码进行反编译,得到以下代码:

  1. Integer a=1; 
  2. System.out.println(a.intValue()==1?"等于":"不等于"); 
  3. Boolean bool=false
  4. 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:

  1. Integer i = 10; 
  2. Integer j = 20; 
  3.  
  4. System.out.println(i+j); 

反编译后代码如下:

  1. Integer i = Integer.valueOf(10); 
  2. Integer j = Integer.valueOf(20); 
  3. 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:

  1. boolean flag = true
  2. Integer i = 0; 
  3. int j = 1; 
  4. 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:

  1. boolean flag = true
  2. Integer i = Integer.valueOf(0); 
  3. int j = 1; 
  4. int k = flag ? i.intValue() : j; 

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,那么久会发生NPE。(自动拆箱导致空指针异常)

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:

  1. //自动拆箱 
  2. public int getNum1(Integer num) { 
  3.  return num; 
  4. //自动装箱 
  5. public Integer getNum2(int num) { 
  6.  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:

  1. public static void main(String... strings) { 
  2.  
  3.     Integer integer1 = 3; 
  4.     Integer integer2 = 3; 
  5.  
  6.     if (integer1 == integer2) 
  7.         System.out.println("integer1 == integer2"); 
  8.     else 
  9.         System.out.println("integer1 != integer2"); 
  10.  
  11.     Integer integer3 = 300; 
  12.     Integer integer4 = 300; 
  13.  
  14.     if (integer3 == integer4) 
  15.         System.out.println("integer3 == integer4"); 
  16.     else 
  17.         System.out.println("integer3 != integer4"); 
  18.  

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:

  1. integer1 == integer2 
  2. 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:

  1. -128至127之间的整数(§3.10.1) 
  2.  
  3. true 和 false的布尔值 (§3.10.3) 
  4.  
  5. ‘\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。

【本文是51CTO专栏作者Hollis的原创文章,作者微信公众号Hollis(ID:hollischuang)】

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