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夯实Java基础系列8：深入理解Java内部类及其实现原理

本文是微信公众号【Java技术江湖】的《夯实Java基础系列博文》其中一篇，本文部分内容来源于网络，为了把本文主题讲得清晰透彻，也整合了很多我认为不错的技术博客内容，引用其中了一些比较好的博客文章，如有侵权，请联系作者。

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。

Java 基本数据类型

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。

夯实Java基础系列8：深入理解Java内部类及其实现原理

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。

Java 的两大数据类型:

内置数据类型
引用数据类型

内置数据类型

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

引用类型

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")。

Java 常量

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'

自动拆箱和装箱（详解）

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）。

简易实现

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。

自动装箱与拆箱中的“坑”

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。

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);

了解基本类型缓存（常量池）的最佳实践

//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。

总结：

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。

基本数据类型的存储方式

上面自动拆箱和装箱的原理其实与常量池有关。

存在栈中：

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。

存在堆里

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：

[java] 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：

[java] view plain copy
JDK1.6以及以下：false false  
JDK1.7以及以上：false true

夯实Java基础系列8：深入理解Java内部类及其实现原理

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...

参考文章

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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