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什麼是Java中的自動拆裝箱

本文主要介紹Java中的自動拆箱與自動裝箱的有關知識。

 

1、基本資料型別

 

基本型別,或者叫做內建型別,是Java中不同於類(Class)的特殊型別。它們是我們程式設計中使用最頻繁的型別。

Java是一種強型別語言,第一次申明變數必須說明資料型別,第一次變數賦值稱為變數的初始化。

Java基本型別共有八種,基本型別可以分為三類:

字元型別char

布林型別boolean

整數型別byteshortintlong

浮點數型別floatdouble

Java中的數值型別不存在無符號的,它們的取值範圍是固定的,不會隨著機器硬體環境或者作業系統的改變而改變。

實際上,Java中還存在另外一種基本型別void,它也有對應的包裝類java.lang.Void,不過我們無法直接對它們進行操作。

基本資料型別有什麼好處

我們都知道在Java語言中,new一個物件是儲存在堆裡的,我們通過棧中的引用來使用這些物件;所以,物件本身來說是比較消耗資源的。

對於經常用到的型別,如int等,如果我們每次使用這種變數的時候都需要new一個Java物件的話,就會比較笨重。

所以,和C++一樣,Java提供了基本資料型別,這種資料的變數不需要使用new建立,他們不會在堆上建立,而是直接在棧記憶體中儲存,因此會更加高效。

整型的取值範圍

Java中的整型主要包含byte

shortintlong這四種,表示的數字範圍也是從小到大的,之所以表示範圍不同主要和他們儲存資料時所佔的位元組數有關。

先來個簡答的科普,1位元組=8位(bit)。java中的整型屬於有符號數。

先來看計算中8bit可以表示的數字:

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

整型的這幾個型別中,

  • byte:byte用1個位元組來儲存,範圍為-128(-2^7)到127(2^7-1),在變數初始化的時候,byte型別的預設值為0。

  • short:short用2個位元組儲存,範圍為-32,768 (-2^15)到32,767 (2^15-1),在變數初始化的時候,short型別的預設值為0,一般情況下,因為Java本身轉型的原因,可以直接寫為0。

  • int:int用4個位元組儲存,範圍為-2,147,483,648 (-2^31)到2,147,483,647 (2^31-1),在變數初始化的時候,int型別的預設值為0。

  • long:long用8個位元組儲存,範圍為-9,223,372,036,854,775,808 (-2^63)到9,223,372,036, 854,775,807 (2^63-1),在變數初始化的時候,long型別的預設值為0L或0l,也可直接寫為0。

超出範圍怎麼辦

上面說過了,整型中,每個型別都有一定的表示範圍,但是,在程式中有些計算會導致超出表示範圍,即溢位。如以下程式碼:

int i = Integer.MAX_VALUE;
int j = Integer.MAX_VALUE;

int k = i + j;
System.out.println("i (" + i + ") + j (" + j + ") = k (" + k + ")");

輸出結果:i (2147483647) + j (2147483647) = k (-2)

這就是發生了溢位,溢位的時候並不會拋異常,也沒有任何提示。所以,在程式中,使用同類型的資料進行運算的時候,一定要注意資料溢位的問題。

 

2、包裝型別

Java語言是一個面向物件的語言,但是Java中的基本資料型別卻是不面向物件的,這在實際使用時存在很多的不便,為了解決這個不足,在設計類時為每個基本資料型別設計了一個對應的類進行代表,這樣八個和基本資料型別對應的類統稱為包裝類(Wrapper Class)。

包裝類均位於java.lang包,包裝類和基本資料型別的對應關係如下表所示

基本資料型別 包裝類
byte Byte
boolean Boolean
short Short
char Character
int Integer
long Long
float Float
double Double

在這八個類名中,除了Integer和Character類以後,其它六個類的類名和基本資料型別一致,只是類名的第一個字母大寫即可。

為什麼需要包裝類

很多人會有疑問,既然Java中為了提高效率,提供了八種基本資料型別,為什麼還要提供包裝類呢?

這個問題,其實前面已經有了答案,因為Java是一種面嚮物件語言,很多地方都需要使用物件而不是基本資料型別。比如,在集合類中,我們是無法將int 、double等型別放進去的。因為集合的容器要求元素是Object型別。

為了讓基本型別也具有物件的特徵,就出現了包裝型別,它相當於將基本型別“包裝起來”,使得它具有了物件的性質,並且為其添加了屬性和方法,豐富了基本型別的操作。

 

3、拆箱與裝箱

 

那麼,有了基本資料型別和包裝類,肯定有些時候要在他們之間進行轉換。比如把一個基本資料型別的int轉換成一個包裝型別的Integer物件。

我們認為包裝類是對基本型別的包裝,所以,把基本資料型別轉換成包裝類的過程就是打包裝,英文對應於boxing,中文翻譯為裝箱。

反之,把包裝類轉換成基本資料型別的過程就是拆包裝,英文對應於unboxing,中文翻譯為拆箱。

在Java SE5之前,要進行裝箱,可以通過以下程式碼:

Integer i = new Integer(10);

 

4、自動拆箱與自動裝箱

 

在Java SE5中,為了減少開發人員的工作,Java提供了自動拆箱與自動裝箱功能。

自動裝箱: 就是將基本資料型別自動轉換成對應的包裝類。

自動拆箱:就是將包裝類自動轉換成對應的基本資料型別。

Integer i =10;  //自動裝箱
int b= i;     //自動拆箱

Integer i=10 可以替代 Integer i = new Integer(10);,這就是因為Java幫我們提供了自動裝箱的功能,不需要開發者手動去new一個Integer物件。

 

5、自動裝箱與自動拆箱的實現原理

 

既然Java提供了自動拆裝箱的能力,那麼,我們就來看一下,到底是什麼原理,Java是如何實現的自動拆裝箱功能。

我們有以下自動拆裝箱的程式碼:

public static  void main(String[]args){
    Integer integer=1; //裝箱
    int i=integer; //拆箱
}

對以上程式碼進行反編譯後可以得到以下程式碼:

public static  void main(String[]args){
    Integer integer=Integer.valueOf(1); 
    int i=integer.intValue(); 
}

從上面反編譯後的程式碼可以看出,int的自動裝箱都是通過Integer.valueOf()方法來實現的,Integer的自動拆箱都是通過integer.intValue來實現的。如果讀者感興趣,可以試著將八種類型都反編譯一遍 ,你會發現以下規律:

自動裝箱都是通過包裝類的valueOf()方法來實現的.自動拆箱都是通過包裝類物件的xxxValue()來實現的。

 

6、哪些地方會自動拆裝箱

 

我們瞭解過原理之後,在來看一下,什麼情況下,Java會幫我們進行自動拆裝箱。前面提到的變數的初始化和賦值的場景就不介紹了,那是最簡單的也最容易理解的。

我們主要來看一下,那些可能被忽略的場景。

場景一、將基本資料型別放入集合類

我們知道,Java中的集合類只能接收物件型別,那麼以下程式碼為什麼會不報錯呢?

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

將上面程式碼進行反編譯,可以得到以下程式碼:

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

以上,我們可以得出結論,當我們把基本資料型別放入集合類中的時候,會進行自動裝箱。

場景二、包裝型別和基本型別的大小比較

有沒有人想過,當我們對Integer物件與基本型別進行大小比較的時候,實際上比較的是什麼內容呢?看以下程式碼:

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

對以上程式碼進行反編譯,得到以下程式碼:

Integer a=1;
System.out.println(a.intValue()==1?"等於":"不等於");
Boolean bool=false;
System.out.println(bool.booleanValue?"真":"假");

可以看到,包裝類與基本資料型別進行比較運算,是先將包裝類進行拆箱成基本資料型別,然後進行比較的。

場景三、包裝型別的運算

有沒有人想過,當我們對Integer物件進行四則運算的時候,是如何進行的呢?看以下程式碼:

Integer i = 10;
Integer j = 20;

System.out.println(i+j);

反編譯後代碼如下:

Integer i = Integer.valueOf(10);
Integer j = Integer.valueOf(20);
System.out.println(i.intValue() + j.intValue());

我們發現,兩個包裝型別之間的運算,會被自動拆箱成基本型別進行。

場景四、三目運算子的使用

這是很多人不知道的一個場景,作者也是一次線上的血淋淋的Bug發生後才瞭解到的一種案例。看一個簡單的三目運算子的程式碼:

boolean flag = true;
Integer i = 0;
int j = 1;
int k = flag ? i : j;

很多人不知道,其實在int k = flag ? i : j;這一行,會發生自動拆箱。反編譯後代碼如下:

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

這其實是三目運算子的語法規範:當第二,第三位運算元分別為基本型別和物件時,其中的物件就會拆箱為基本型別進行操作。

因為例子中,flag ? i : j;片段中,第二段的i是一個包裝型別的物件,而第三段的j是一個基本型別,所以會對包裝類進行自動拆箱。如果這個時候i的值為null,那麼久會發生NPE。(自動拆箱導致空指標異常

場景五、函式引數與返回值

這個比較容易理解,直接上程式碼了:

//自動拆箱
public int getNum1(Integer num) {
 return num;
}
//自動裝箱
public Integer getNum2(int num) {
 return num;
}

 

7、自動拆裝箱與快取

 

Java SE的自動拆裝箱還提供了一個和快取有關的功能,我們先來看以下程式碼,猜測一下輸出結果:

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");

}

我們普遍認為上面的兩個判斷的結果都是false。雖然比較的值是相等的,但是由於比較的是物件,而物件的引用不一樣,所以會認為兩個if判斷都是false的。

在Java中,==比較的是物件應用,而equals比較的是值。

所以,在這個例子中,不同的物件有不同的引用,所以在進行比較的時候都將返回false。奇怪的是,這裡兩個類似的if條件判斷返回不同的布林值。

上面這段程式碼真正的輸出結果:

integer1 == integer2
integer3 != integer4

原因就和Integer中的快取機制有關。在Java 5中,在Integer的操作上引入了一個新功能來節省記憶體和提高效能。整型物件通過使用相同的物件引用實現了快取和重用。

適用於整數值區間-128 至 +127。

 

只適用於自動裝箱。使用建構函式建立物件不適用。

具體的程式碼實現可以閱讀Java中整型的快取機制一文,這裡不再闡述。

我們只需要知道,當需要進行自動裝箱時,如果數字在-128至127之間時,會直接使用快取中的物件,而不是重新建立一個物件。

其中的javadoc詳細的說明了快取支援-128到127之間的自動裝箱過程。最大值127可以通過-XX:AutoBoxCacheMax=size修改。

實際上這個功能在Java 5中引入的時候,範圍是固定的-128 至 +127。後來在Java 6中,可以通過java.lang.Integer.IntegerCache.high設定最大值。

這使我們可以根據應用程式的實際情況靈活地調整來提高效能。到底是什麼原因選擇這個-128到127範圍呢?因為這個範圍的數字是最被廣泛使用的。 在程式中,第一次使用Integer的時候也需要一定的額外時間來初始化這個快取。

在Boxing Conversion部分的Java語言規範(JLS)規定如下:

如果一個變數p的值是:

-128至127之間的整數(§3.10.1)

true 和 false的布林值 (§3.10.3)

‘\u0000’至 ‘\u007f’之間的字元(§3.10.4)

範圍內的時,將p包裝成a和b兩個物件時,可以直接使用a==b判斷a和b的值是否相等。

 

8、自動拆裝箱帶來的問題

 

當然,自動拆裝箱是一個很好的功能,大大節省了開發人員的精力,不再需要關心到底什麼時候需要拆裝箱。但是,他也會引入一些問題。

包裝物件的數值比較,不能簡單的使用==,雖然-128到127之間的數字可以,但是這個範圍之外還是需要使用equals比較。

 

前面提到,有些場景會進行自動拆裝箱,同時也說過,由於自動拆箱,如果包裝類物件為null,那麼自動拆箱時就有可能丟擲NPE。

 

如果一個for迴圈中有大量拆裝箱操作,會浪費很多資源。