int和Integer深入分析

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杨充
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    目录介绍

    • 1.关于int和Integer的问题区别分析

    • 2.Integer的值缓存的原理

      • 2.1 Java 5 中引入缓存特性
      • 2.2 Integer类中的IntegerCache类
      • 2.3 其他整型类型的缓存机制

    • 3.理解自动装箱和拆箱

      • 3.1 什么是装箱？什么是拆箱？
      • 3.2 装箱和拆箱是如何实现的
      • 3.3 装箱和拆箱在编程实际中注意点

    • 4.原始类型线程安全问题

      • 4.1 那些类型是线程安全的
      • 4.2 如何验证int类型是否线程安全
      • 4.3 AtomicInteger线程安全版

    • 5.Java 原始数据类型和引用类型局限性

      • 5.1 原始数据类型和 Java 泛型并不能配合使用
      • 5.2 无法高效地表达数据，也不便于表达复杂的数据结构

    • 6.关于其他知识延伸

      • 6.1 对象的内存结构
      • 6.2 对象头的结构
      • 6.3 如何计算或者获取某个Java对象的大小

    • 7.关于其他内容介绍

      • 7.1 关于博客汇总链接
      • 7.2 关于我的博客

    1.关于int和Integer的问题区别分析

    • 1.1 编译阶段、运行时，自动装箱 / 自动拆箱是发生在什么阶段？
    • 1.2使用静态工厂方法 valueOf 会使用到缓存机制，那么自动装箱的时候，缓存机制起作用吗？
    • 1.3为什么我们需要原始数据类型，Java 的对象似乎也很高效，应用中具体会产生哪些差异？
    • 1.4 阅读过 Integer 源码吗？分析下类或某些方法的设计要点？
    • 1.5 int和Integer的区别
    1、Integer是int的包装类，int则是java的一种基本数据类型 
2、Integer变量必须实例化后才能使用，而int变量不需要 
3、Integer实际是对象的引用，当new一个Integer时，实际上是生成一个指针指向此对象；而int则是直接存储数据值 
4、Integer的默认值是null，int的默认值是0

延伸： 
关于Integer和int的比较 
1、由于Integer变量实际上是对一个Integer对象的引用，所以两个通过new生成的Integer变量永远是不相等的（因为new生成的是两个对象，其内存地址不同）。

Integer i = new Integer(100);
Integer j = new Integer(100);
System.out.print(i == j); //false

2、Integer变量和int变量比较时，只要两个变量的值是向等的，则结果为true（因为包装类Integer和基本数据类型int比较时，java会自动拆包装为int，然后进行比较，实际上就变为两个int变量的比较）

Integer i = new Integer(100);
int j = 100；
System.out.print(i == j); //true

3、非new生成的Integer变量和new Integer()生成的变量比较时，结果为false。（因为非new生成的Integer变量指向的是java常量池中的对象，而new Integer()生成的变量指向堆中新建的对象，两者在内存中的地址不同）

Integer i = new Integer(100);
Integer j = 100;
System.out.print(i == j); //false

4、对于两个非new生成的Integer对象，进行比较时，如果两个变量的值在区间-128到127之间，则比较结果为true，如果两个变量的值不在此区间，则比较结果为false

Integer i = 100;
Integer j = 100;
System.out.print(i == j); //true

Integer i = 128;
Integer j = 128;
System.out.print(i == j); //false

对于第4条的原因： 
java在编译Integer i = 100 ;时，会翻译成为Integer i = Integer.valueOf(100)；，而java API中对Integer类型的valueOf的定义如下：

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);
}

java对于-128到127之间的数，会进行缓存，Integer i = 127时，会将127进行缓存，下次再写Integer j = 127时，就会直接从缓存中取，就不会new了

    2.Integer的值缓存的原理

    2.1 Java 5 中引入缓存特性

    • 在 Java 5 中，为 Integer 的操作引入了一个新的特性，用来节省内存和提高性能。整型对象在内部实现中通过使用相同的对象引用实现了缓存和重用。
    • 这种 Integer 缓存策略仅在自动装箱（autoboxing）的时候有用，使用构造器创建的 Integer 对象不能被缓存。

    2.2 Integer类中的IntegerCache类

    • 在创建新的 Integer 对象之前会先在 IntegerCache.cache (是个Integer类型的数组)中查找。有一个专门的 Java 类来负责 Integer 的缓存。
    • 这个类是用来实现缓存支持，并支持 -128 到 127 之间的自动装箱过程。最大值 127 可以通过 JVM 的启动参数 -XX:AutoBoxCacheMax=size 修改。 缓存通过一个 for 循环实现。从小到大的创建尽可能多的整数并存储在一个名为 cache 的整数数组中。这个缓存会在 Integer 类第一次被使用的时候被初始化出来。以后，就可以使用缓存中包含的实例对象，而不是创建一个新的实例(在自动装箱的情况下)。
    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() {}
}

    2.3 其他整型类型的缓存机制

    • 这种缓存行为不仅适用于Integer对象。我们针对所有整数类型的类都有类似的缓存机制。

      • 有 ByteCache 用于缓存 Byte 对象
      • 有 ShortCache 用于缓存 Short 对象
      • 有 LongCache 用于缓存 Long 对象
      • 有 CharacterCache 用于缓存 Character 对象
      • Byte，Short，Long 有固定范围: -128 到 127。对于 Character, 范围是 0 到 127。除了 Integer 可以通过参数改变范围外，其它的都不行。

    3.理解自动装箱和拆箱

    3.1 什么是装箱？什么是拆箱？

    • 装箱就是 自动将基本数据类型转换为包装器类型；拆箱就是 自动将包装器类型转换为基本数据类型。
    //拆箱
int yc = 5;
//装箱
Integer yc = 5;

    3.2 装箱和拆箱是如何实现的

    • 以Interger类为例，下面看一段代码来了解装箱和拆箱的实现
    public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Integer y = 10;
        int c = i;
    }
}

    • 然后来编译一下，看下图所示：

      • 从反编译得到的字节码内容可以看出，在装箱的时候自动调用的是Integer的valueOf(int)方法。而在拆箱的时候自动调用的是Integer的intValue方法。
      • 因此可以用一句话总结装箱和拆箱的实现过程：装箱过程是通过调用包装器的valueOf方法实现的，而拆箱过程是通过调用包装器的 xxxValue方法实现的。（xxx代表对应的基本数据类型）。

    image

    3.3 装箱和拆箱在编程实际中注意点

    • 建议避免无意中的装箱、拆箱行为，尤其是在性能敏感的场合，创建 10 万个 Java 对象和 10 万个整数的开销可不是一个数量级的，不管是内存使用还是处理速度，光是对象头的空间占用就已经是数量级的差距了。

    4.原始类型线程安全问题

    4.1 那些类型是线程安全的

    • Java自带的线程安全的基本类型包括： AtomicInteger, AtomicLong, AtomicBoolean, AtomicIntegerArray,AtomicLongArray等

    4.2 如何验证int类型是否线程安全

    • 200个线程，每个线程对共享变量 count 进行 50 次 ++ 操作
    • int 作为基本类型，直接存储在内存栈，且对其进行+,-操作以及++,–操作都不是原子操作，都有可能被其他线程抢断，所以不是线程安全。int 用于单线程变量存取，开销小，速度快
    int count = 0;
private void startThread() {
    for (int i = 0;i < 200; i++){
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int k = 0; k < 50; k++){
                    count++;
                }
            }
        }).start();
    }
    // 休眠10秒，以确保线程都已启动
    try {
        Thread.sleep(1000*10);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }finally {
        Log.e("打印日志----",count+"");
    }
}

//期望输出10000，最后输出的是9818
//注意：打印日志----: 9818

    4.3 AtomicInteger线程安全版

    • AtomicInteger类中有有一个变量valueOffset，用来描述AtomicInteger类中value的内存位置 。
    • 当需要变量的值改变的时候，先通过get（）得到valueOffset位置的值，也即当前value的值.给该值进行增加，并赋给next
    • compareAndSet（）比较之前取到的value的值当前有没有改变，若没有改变的话，就将next的值赋给value，倘若和之前的值相比的话发生变化的话，则重新一次循环，直到存取成功，通过这样的方式能够保证该变量是线程安全的
    • value使用了volatile关键字，使得多个线程可以共享变量，使用volatile将使得VM优化失去作用，在线程数特别大时，效率会较低。
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
static Integer count1 = Integer.valueOf(0);
private void startThread1() {
    for (int i = 0;i < 200; i++){
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int k = 0; k < 50; k++){
                    // getAndIncrement: 先获得值，再自增1，返回值为自增前的值
                    count1 = atomicInteger.getAndIncrement();
                }
            }
        }).start();
    }
    // 休眠10秒，以确保线程都已启动
    try {
        Thread.sleep(1000*10);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }finally {
        Log.e("打印日志----",count1+"");
    }
}

//期望输出10000，最后输出的是10000
//注意：打印日志----: 10000



//AtomicInteger使用了volatile关键字进行修饰，使得该类可以满足线程安全。
private volatile int value;
/**
 * Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
 *
 * @param initialValue the initial value
 */
public AtomicInteger(int initialValue) {
    value = initialValue;
}

    5.Java 原始数据类型和引用类型局限性

    5.1 原始数据类型和 Java 泛型并不能配合使用

    • Java 的泛型某种程度上可以算作伪泛型，它完全是一种编译期的技巧，Java 编译期会自动将类型转换为对应的特定类型，这就决定了使用泛型，必须保证相应类型可以转换为Object。

    5.2 无法高效地表达数据，也不便于表达复杂的数据结构

    • Java 的对象都是引用类型，如果是一个原始数据类型数组，它在内存里是一段连续的内存，而对象数组则不然，数据存储的是引用，对象往往是分散地存储在堆的不同位置。这种设计虽然带来了极大灵活性，但是也导致了数据操作的低效，尤其是无法充分利用现代 CPU 缓存机制。
    • Java 为对象内建了各种多态、线程安全等方面的支持，但这不是所有场合的需求，尤其是数据处理重要性日益提高，更加高密度的值类型是非常现实的需求。

    6.关于其他知识延伸

    6.1 对象的内存结构

    • 对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

    6.2 对象头的结构

    • HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为"Mark Word"。
    • 对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，这点将在2.3.3节讨论。另外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

    6.3 如何计算或者获取某个Java对象的大小

    • 获取一个JAVA对象的大小，可以将一个对象进行序列化为二进制的Byte，便可以查看大小
    //获取一个JAVA对象的大小，可以将一个对象进行序列化为二进制的Byte，便可以查看大小
Integer value = 10;
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos ;
try {
    oos = new ObjectOutputStream(bos);
    oos.writeObject(value);
    oos.close();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
// 读出当前对象的二进制流信息
Log.e("打印日志----",bos.size()+"");
//打印日志----: 81

    7.关于其他内容介绍

    7.1 关于博客汇总链接

    7.2 关于我的博客

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