作者| 慕課網精英講師明明如月
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我們先看下面的示例代碼,並思考該段代碼的輸出結果:
public class IntTest {
public static void main(String[] args) {
integer a = 100, b = 100, c = 150, d = 150;
System.out.println(a == b);
System.out.println(c == d);
}
}
通過運行代碼可以得到答案,程序輸出的結果分別為: true , false。
那麼為什麼答案是這樣?
很多人可能會頗有自信地回答:因為緩存了 -128 到 127 之間的數值,就沒有然後了。
那麼為什麼會緩存這一段區間的數值?緩存的區間可以修改嗎?其它的包裝類型有沒有類似緩存?
what? 咋還有這麼多問題?這誰知道啊!
莫急,且看下面的分析。
2.1 源碼分析法
首先我們可以通過源碼對該問題進行分析。
我們知道,Integer var = ? 形式聲明變量,會通過 java.lang.Integer#valueOf(int) 來構造 Integer 對象。
很多人可能會說:「你咋能知道這個呢」?
如果不信大家可以打斷點,運行程序後會調到這裡,總該信了吧?(後面還會再作解釋)。
我們先看該函數源碼:
/**
* 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);
}
通過源碼可以看出,如果用 Ineger.valueOf(int) 來創建整數對象,參數大於等於整數緩存的最小值( IntegerCache.low )並小於等於整數緩存的最大值( IntegerCache.high), 會直接從緩存數組 (java.lang.Integer.IntegerCache#cache) 中提取整數對象;否則會 new 一個整數對象。
那麼這裡的緩存最大和最小值分別是多少呢?
從上述注釋中我們可以看出,最小值是 -128, 最大值是 127。
那麼為什麼會緩存這一段區間的整數對象呢?
通過注釋我們可以得知:如果不要求必須新建一個整型對象,緩存最常用的值(提前構造緩存範圍內的整型對象),會更省空間,速度也更快。
這給我們一個非常重要的啟發:
如果想減少內存占用,提高程序運行的效率,可以將常用的對象提前緩存起來,需要時直接從緩存中提取。
那麼我們再思考下一個問題: Integer 緩存的區間可以修改嗎?
通過上述源碼和注釋我們還無法回答這個問題,接下來,我們繼續看 java.lang.Integer.IntegerCache 的源碼:
/**
* 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=<size>} 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");
// 省略其它代碼
}
// 省略其它代碼
}
通過 IntegerCache 代碼和注釋我們可以看到,最小值是固定值 -128, 最大值並不是固定值,緩存的最大值是可以通過虛擬機參數 -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} 或 -DJava.lang.Integer.IntegerCache.high=<value> 來設置的,未指定則為 127。
因此可以通過修改這兩個參數其中之一,讓緩存的最大值大於等於 150。
如果作出這種修改,示例的輸出結果便會是: true,true。
學到這裡是不是發現,對此問題的理解和最初的想法有些不同呢?
這段注釋也解答了為什麼要緩存這個範圍的數據:
是為了自動裝箱時可以復用這些對象 ,這也是 JLS2 的要求。
我們可以參考 JLS 的 Boxing Conversion 部分的相關描述。
If the valuepbeing boxed is an integer literal of type intbetween -128and 127inclusive (§3.10.1), or the boolean literal trueorfalse(§3.10.3), or a character literal between '\u0000'and '\u007f'inclusive (§3.10.4), then let aand bbe the results of any two boxing conversions of p. It is always the case that a==b.
在 -128 到 127 (含)之間的 int 類型的值,或者 boolean 類型的 true 或 false, 以及範圍在』\u0000』和』\u007f』 (含)之間的 char 類型的數值 p, 自動包裝成 a 和 b 兩個對象時, 可以使用 a == b 判斷 a 和 b 的值是否相等。
2.2 反彙編法
那麼究竟 Integer var = ? 形式聲明變量,是不是通過 java.lang.Integer#valueOf(int) 來構造 Integer 對象呢? 總不能都是猜測 N 個可能的函數,然後斷點調試吧?
如果遇到其它類似的問題,沒人告訴我底層調用了哪個方法,該怎麼辦? 囧…
這類問題有個殺手鐧,可以通過對編譯後的 class 文件進行反彙編來查看。
首先編譯原始碼:javac IntTest.java
然後需要對代碼進行反彙編,執行:javap -c IntTest
如果想了解 javap 的用法,直接輸入 javap -help 查看用法提示(很多命令行工具都支持 -help 或 --help 給出用法提示)。
反編譯後,我們得到以下代碼:
Compiled from "IntTest.java"
public class com.chujianyun.common.int_test.IntTest {
public com.chujianyun.common.int_test.IntTest();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: bipush 100
2: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
5: astore_1
6: bipush 100
8: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
11: astore_2
12: sipush 150
15: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
18: astore_3
19: sipush 150
22: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
25: astore 4
27: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
30: aload_1
31: aload_2
32: if_acmpne 39
35: iconst_1
36: goto 40
39: iconst_0
40: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
43: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
46: aload_3
47: aload 4
49: if_acmpne 56
52: iconst_1
53: goto 57
56: iconst_0
57: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
60: return
}
可以明確得 "看到" 這四個 ``Integer var = ? 形式聲明的變量的確是通過 java.lang.Integer#valueOf(int) 來構造 Integer` 對象的。
接下來對彙編後的代碼進行詳細分析,如果看不懂可略過:
根據《Java Virtual Machine Specification : Java SE 8 Edition》3,後縮寫為 JVMS , 第 6 章 虛擬機指令集的相關描述以及《深入理解 Java 虛擬機》4 414-149 頁的 附錄 B 「虛擬機字節碼指令表」。 我們對上述指令進行解讀:
偏移為 0 的指令為:bipush 100 ,其含義是將單字節整型常量 100 推入操作數棧的棧頂;
偏移為 2 的指令為:invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer; 表示調用一個 static 函數,即 java.lang.Integer#valueOf(int);
偏移為 5 的指令為:astore_1 ,其含義是從操作數棧中彈出對象引用,然後將其存到第 1 個局部變量 Slot 中;
偏移 6 到 25 的指令和上面類似;
偏移為 30 的指令為 aload_1 ,其含義是從第 1 個局部變量 Slot 取出對象引用(即 a),並將其壓入棧;
偏移為 31 的指令為 aload_2 ,其含義是從第 2 個局部變量 Slot 取出對象引用(即 b),並將其壓入棧;
偏移為 32 的指令為 if_acmpn,該指令為條件跳轉指令,if_ 後以 a 開頭表示對象的引用比較。
由於該指令有以下特性:
if_acmpeq 比較棧兩個引用類型數值,相等則跳轉if_acmpne 比較棧兩個引用類型數值,不相等則跳轉
由於 Integer 的緩存問題,所以 a 和 b 引用指向同一個地址,因此此條件不成立(成立則跳轉到偏移為 39 的指令處),執行偏移為 35 的指令。
偏移為 35 的指令: iconst_1,其含義為將常量 1 壓棧( Java 虛擬機中 boolean 類型的運算類型為 int ,其中 true 用 1 表示,詳見 2.11.1 數據類型和 Java 虛擬機。
然後執行偏移為 36 的 goto 指令,跳轉到偏移為 40 的指令。
偏移為 40 的指令:invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V。
可知參數描述符為 Z ,返回值描述符為 V。
根據 4.3.2 欄位描述符 ,可知 FieldType 的字符為 Z 表示 boolean
類型, 值為 true 或 false。
根據 4.3.3 欄位描述符 ,可知返回值為 void。
因此可以知,最終調用了 java.io.PrintStream#println(boolean) 函數列印棧頂常量即 true。
然後比較執行偏移 43 到 57 之間的指令,比較 c 和 d, 列印 false 。
執行偏移為 60 的指令,即 retrun ,程序結束。
可能有些朋友會對反彙編的代碼有些牴觸和恐懼,這都是非常正常的現象。
我們分析和研究問題的時候,看懂核心邏輯即可,不要糾結於細節,而失去了重點。
一回生兩回熟,隨著遇到的例子越來越多,遇到類似的問題時,會喜歡上 javap 來分析和解決問題。
如果大家不喜歡命令行的方式進行 Java 的反彙編,這裡推薦一個簡單易用的可視化工具:classpy ,大家可以自行了解學習。
3.Long 的緩存問題分析
我們學習的目的之一就是要學會舉一反三。因此我們對 Long 也進行類似的研究,探究兩者之間有何異同。
3.1 源碼分析
類似的,我們接下來分析 java.lang.Long#valueOf(long) 的源碼:
/**
* Returns a {@code Long} instance representing the specified
* {@code long} value.
* If a new {@code Long} instance is not required, this method
* should generally be used in preference to the constructor
* {@link #Long(long)}, as this method is likely to yield
* significantly better space and time performance by caching
* frequently requested values.
*
* Note that unlike the {@linkplain Integer#valueOf(int)
* corresponding method} in the {@code Integer} class, this method
* is <em>not</em> required to cache values within a particular
* range.
*
* @param l a long value.
* @return a {@code Long} instance representing {@code l}.
* @since 1.5
*/
public static Long valueOf(long l) {
final int offset = 128;
if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
return LongCache.cache[(int)l + offset];
}
return new Long(l);
}
發現該函數的寫法和 Ineger.valueOf(int) 非常相似。
我們同樣也看到, Long 也用到了緩存。 使用 java.lang.Long#valueOf(long) 構造 Long 對象時,值在 [-128, 127] 之間的 Long 對象直接從緩存對象數組中提取。
而且注釋同樣也提到了:緩存的目的是為了提高性能。
但是通過注釋我們發現這麼一段提示:
Note that unlike the {@linkplain Integer#valueOf(int) corresponding method} in the {@code Integer} class, this method is not required to cache values within a particular range.
注意:和 Ineger.valueOf(int) 不同的是,此方法並沒有被要求緩存特定範圍的值。
這也正是上面源碼中緩存範圍判斷的注釋為何用 // will cache 的原因(可以對比一下上面 Integer 的緩存的注釋)。
因此我們可知,雖然此處採用了緩存,但應該不是 JLS 的要求。
那麼 Long 類型的緩存是如何構造的呢?
我們查看緩存數組的構造:
private static class LongCache {
private LongCache(){}
static final Long cache[] = new Long[-(-128) + 127 + 1];
static {
for(int i = 0; i < cache.length; i++)
cache[i] = new Long(i - 128);
}
}
可以看到,它是在靜態代碼塊中填充緩存數組的。
3.2 反編譯
同樣地我們也編寫一個示例片段:
public class LongTest {
public static void main(String[] args) {
Long a = -128L, b = -128L, c = 150L, d = 150L;
System.out.println(a == b);
System.out.println(c == d);
}
}
編譯原始碼: javac LongTest.java
對編譯後的類文件進行反彙編: javap -c LongTest
得到下面反編譯的代碼:
public class com.imooc.basic.learn_int.LongTest {
public com.imooc.basic.learn_int.LongTest();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: ldc2_w #2 // long -128l
3: invokestatic #4 // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
6: astore_1
7: ldc2_w #2 // long -128l
10: invokestatic #4 // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
13: astore_2
14: ldc2_w #5 // long 150l
17: invokestatic #4 // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
20: astore_3
21: ldc2_w #5 // long 150l
24: invokestatic #4 // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
27: astore 4
29: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
32: aload_1
33: aload_2
34: if_acmpne 41
37: iconst_1
38: goto 42
41: iconst_0
42: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
45: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
48: aload_3
49: aload 4
51: if_acmpne 58
54: iconst_1
55: goto 59
58: iconst_0
59: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
62: return
}
我們從上述代碼中發現 Long var = ? 的確是通過 java.lang.Long#valueOf(long) 來構造對象的。
3. 總結
本篇文章通過源碼分析法、閱讀 JLS 和 JVMS、使用反彙編法,對 Integer 和 Long 緩存的目的和實現方式問題進行了深入分析。
讓大家能夠通過更豐富的手段來學習知識和分析問題,通過對緩存目的的思考來學到更通用和本質的東西。
本篇文章使用的幾種手段將是我們未來常用的方法,也是工作進階的必備技能和一個程式設計師專業程度的體現,希望大家未來能夠多動手實踐。
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