Java基礎系列1：深入理解Java數據類型

當初學習電腦的時候，教科書中對程式的定義是：程式=數據結構+演算法，Java基礎系列第一篇就聊聊Java中的數據類型。

本篇聊Java數據類型主要包括四個內容：

• Java基本類型
• Java封裝類型
• 自動裝箱和拆箱
• 封裝類型緩存機制

Java基本類型

Java基本類型分類、大小及表示範圍

Java的基本數據類型總共有8種，包括三類：數值型，字元型，布爾型，其中

• 數值型：
  • 整數類型：byte、short、int、long
  • 浮點類型：float、double
• 字元型：char
• 布爾型：boolean

字元類型在記憶體中占有2個位元組，可以用來保存英文字母等字元。電腦處理字元類型時，是把這些字元當成不同的整數來看待，即ASKII碼，因此，嚴格來說，字元類型也算是整數類型的一種。

Java的這8種基本類型的大小，即所占用的存儲位元組數，以及可以表示的數據範圍如下表所示：

Java基本類型之間的轉換

Java是強類型的編程語言，其數據類型在定義時就已經確定了，因此不能隨意轉換成其他的數據類型，但是Java允許將一種類型賦值給另一種類型。

在Java中，boolean類型與其他7種類型的數據都不能進行轉換，這一點很明確。

但對於其他7種數據類型，它們之間都可以進行轉換，只是可能會存在精度損失或其他一些變化。轉換分為自動轉換和強制轉換：

• 自動類型轉換（隱式）：無需任何操作
• 強制類型轉換（顯式）：需使用轉換操作符

自動類型轉換需要滿足如下兩個條件：

1. 轉換前的數據類型與轉換後的數據類型相容；
2. 轉換後的數據類型的表示範圍比轉換前的類型大。

如果將6種數值類型作如下排序：

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double > float > long > int > short > byte

那麼從小轉換到大，那麼可以直接轉換，而從大到小，或char或其他6種數據類型轉換，則必須使用強制轉換，且可能會發生精度損失。

Java基本數據類型的預設值

在某些場景下，比如在Restful API介面中，如果在dto中使用了基本類型的參數，那麼即使請求體中沒有傳該參數，伺服器在做反序列化的時候也會將該參數以預設值來處理。所以在實際開發的dto中務必不要使用基本類型。

以下是Java基本數據類型的預設值：

Java封裝類型

對於上面的8種基本類型，Java都有對應的封裝類型：

基本類型 vs 封裝類型

Java封裝類型與基本類型相比，有如下區別：

1. 從參數傳遞上來說，基本類型只能按值傳遞，而每個封裝類都是按引用傳遞的；
2. 從存儲的位置上來說，基本類型是存儲在棧中的，而所有的對象都是在堆上創建和存儲的，所以基本類型的存取速度要快於在堆中的封裝類型的實例對象；JDK5.0開始可以自動封包了 ，也就是基本數據可以自動封裝成封裝類,基本數據類型的好處就是速度快（不涉及到對象的構造和回收），封裝類的目的主要是更好的處理數據之間的轉換，方法很多，用起來也方便。
3. 基本類型的優勢是：數據存儲相對簡單，運算效率比較高；
4. 封裝類型的優勢是：類型轉換的api更好用了，比如Integer.parseInt(*)等的，每個封裝類型都提供了parseXXX方法和toString方法。而且在集合當中，也只能使用封裝類型。封裝類型滿足了Java中一切皆對象的原則。

自動裝箱和拆箱

什麼是自動裝箱和拆箱

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// 自動裝箱
Integer numInteger = 66;

// 自動拆箱
int numInt = numInteger;

簡單地說，裝箱就是自動將基本數據類型轉換為封裝類型；拆箱就是自動將封裝類型轉換為基本類型。

自動裝箱和拆箱的執行過程

我們就以上面的Integer的簡單例子來研究執行過程，具體代碼如下：

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public class Main {
    public static void main(String[] args) {
    		// 自動裝箱
				Integer numInteger = 66;

    		// 自動拆箱
				int numInt = numInteger;
    }
}

先編譯，執行：javac Main.java，

再反編譯，執行：javap -c Main，

執行後得到如下內容：

可以看到，

在執行Integer numInteger = 66;的時候，系統為我們執行了Integer numInteger = Integer.valueOf(66)；

在執行int numInt = numInteger;的時候，系統為我們執行了int numInt = numInteger.intValue();

我們再來看一下Integer中valueOf方法的源碼：

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public static Integer valueOf(int i) {
		if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
    		return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

其中IntegerCache.low=-128，IntegerCache.high=127。

也即，在執行Integer.valueOf(num)方法時，會先判斷num的大小，如果小於-128或者大於127，就創建一個Integer對象，否則就從IntegerCache中來獲取。這裡涉及到了Integer的緩存機制，下一小節詳細討論。

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private final int value;

public Integer(int value) {
    this.value = value;
}
public Integer(String s) throws NumberFormatException {
		this.value = parseInt(s, 10);
}

這是Integer的構造函數，裡面定義了一個value變數，創建一個Integer對象，就會給這個變數初始化。

再來簡單看看IntegerCache是什麼東西，IntegerCache類時Integer類的一個內部類，其包含了三個屬性，如下：

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private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
        		……
        }

        private IntegerCache() {}
    }

在valueOf方法中用到的cache數組，是一個靜態的Integer數組對象，而這個數組對象在Integer第一次使用的時候就會創建好。

總之，valueOf返回的都是一個Integer對象。所以我們這裡可以總結一點：裝箱的過程會創建對應的對象，這個會消耗記憶體，所以裝箱的過程會增加記憶體的消耗，影響性能。

封裝類型緩存機制

Integer緩存機制源碼分析

我們仍舊以Integer的例子來說明封裝類型的緩存機制，看一下完整的IntegerCache類的代碼：

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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() {}
    }

代碼很簡單，JVM在初始化的時候可以配置值java.lang.Integer.IntegerCache.high，預設為127，然後在第一次使用Integer的時候，不是只創建需要的那一個Integer對象，而是創建值在-128到java.lang.Integer.IntegerCache.high範圍內的所有的Integer對象，然後將其放入到cache數組中。

然後在每次自動裝箱的時候，如果值落在該範圍內，則自動從cache數組中去拿出已經實例化的對象來用，而不用再次去實例化這樣一個Integer對象。

每一個整數類型和字元類型、bool類型的封裝類型都有類似的緩存機制，這也是為了減輕封裝類型相比於基本類型的性能消耗。

Integer緩存機制實例

我們再舉一個例子來說明緩存機制。

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public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        Integer i1 = 100;
        Integer i2 = 100;
        Integer i3 = 200;
        Integer i4 = 200;

        System.out.println(i1 == i2);  //true
        System.out.println(i3 == i4);  //false
    }
}

後面的執行結果大家可能會很吃驚，原因是什麼呢，結合Integer緩存機制的說明，可以明白這個過程如下：

1. i1和i2會進行自動裝箱，執行了valueOf方法，它們的值落在[-128,128)，所以它們取到的IntegerCache.cache中的是同一個對象，所以它們是相等的；
2. i3和i4也會進行自動裝箱，執行valueOf方法時，它們的值都大於128，所以會執行new Integer(200)，也即它們分別創建了兩個不同的對象，所以它們肯定不相等。

浮點類型無緩存機制

上面介紹的緩存機制僅針對整數類型、字元類型、布爾類型，因為這幾種數據類型在一定區間的值的數量是固定，但是浮點類型如Float和Double卻在任意區間都有無數個值。

來看看Double.valueOf的源碼就知道了：

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public static Double valueOf(String s) throws NumberFormatException {
    return new Double(parseDouble(s));
}

可以看到Double.valueOf是直接返回一個新的Double對象，並沒有緩存機制。

使用緩存機制的封裝類型

進行一個歸類，使用了緩存機制的封裝類型有這樣幾種：

總結

1. 當一個基本數據類型與封裝類型進行==、+、-、*、/運算時，會將封裝類進行拆箱，對基本數據類型進行運算；
2. 拆箱完成運算之後，如果返回的結果需要是封裝類型，則需要進行自動裝箱，返回封裝對象；
3. equals(Object o) 因為原equals方法中的參數類型是封裝類型，所傳入的參數類型（a）是原始數據類型，所以會自動對其裝箱，反之，會對其進行拆箱；
4. 當兩種不同類型用==比較時，包裝器類的需要拆箱， 當同種類型用==比較時，會自動拆箱或者裝箱。

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