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[Java教程]Java中整型的缓存机制


译文出处: 张洪亮   原文出处:Java Papers

本文将介绍Java中Integer的缓存相关知识。这是在Java 5中引入的一个有助于节省内存、提高性能的功能。首先看一个使用Integer的示例代码,从中学习其缓存行为。接着我们将为什么这么实现以及他到底是如何实现的。你能猜出下面的Java程序的输出结果吗。如果你的结果和真正结果不一样,那么你就要好好看看本文了。

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package com.javapapers.java;
 
public class JavaIntegerCache {
    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:

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integer1 == integer2
integer3 != integer4



Java中Integer的缓存实现

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。

Java的编译器把基本数据类型自动转换成封装类对象的过程叫做自动装箱,相当于使用valueOf方法:

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Integer a = 10; //this is autoboxing
Integer b = Integer.valueOf(10); //under the hood



现在我们知道了这种机制在源码中哪里使用了,那么接下来我们就看看JDK中的valueOf方法。下面是JDK 1.8.0 build 25的实现:

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/**
     * Returns an {@code Integer} instance representing the specified
     * {@code int} value.  If a new {@code Integer} instance is not
     * required, this method should generally be used in preference to
     * the constructor {@link #Integer(int)}, as this method is likely
     * to yield significantly better space and time performance by
     * caching frequently requested values.
     *
     * This method will always cache values in the range -128 to 127,
     * inclusive, and may cache other values outside of this range.
     *
     * @param  i an {@code int} value.
     * @return an {@code Integer} instance representing {@code i}.
     * @since  1.5
     */
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }



在创建对象之前先从IntegerCache.cache中寻找。如果没找到才使用new新建对象。

IntegerCache Class

IntegerCache是Integer类中定义的一个private static的内部类。接下来看看他的定义。

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/**
   * Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between
   * -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.
   *
   * The cache is initialized on first usage.  The size of the cache
   * may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=} option.
   * During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property
   * may be set and saved in the private system properties in the
   * sun.misc.VM class.
   */
 
  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() {}
  }



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。 缓存通过一个for循环实现。从低到高并创建尽可能多的整数并存储在一个整数数组中。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)。

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。

Java语言规范中的缓存行为

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:

-128至127之间的整数(§3.10.1)

true 和 false的布尔值 (§3.10.3)

‘\u0000’至 ‘\u007f’之间的字符(§3.10.4)

中时,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。

其他缓存的对象

这种缓存行为不仅适用于Integer对象。我们针对所有的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

ByteShortLong有固定范围: -128 到 127。对于Character, 范围是 0 到 127。除了Integer以外,这个范围都不能改变。

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