Java基础(002)：自动装箱和拆箱的相关问题及陷阱

2023-08-26 15:19:34

　　本篇将探讨自动装箱(Autoboxing)和拆箱(Unboxing)的相关概念、常见场景、可能涉及的问题及陷阱。目录结构如下：

1、自动装箱(Autoboxing)和拆箱(Unboxing)
2、自动拆箱和装箱的常见场景
3、相关问题及陷阱
4、缓存上限的修改
5、参考

1、自动装箱(Autoboxing)和拆箱(Unboxing)

　　自动装箱和拆箱的概念如下：

自动装箱：直接将一个原始数据类型传给其相应的包装器类型(wrapper class)，编译器会自动转换成对应的包装器类型，这就是自动装箱(Autoboxing)。
拆箱：将一个包装器类型的对象赋值给其相应的原始数据类型变量，编译器会自动转换成对应的原始数据类型，则称为拆箱(Unboxing)。
由此可见，拆箱与装箱是相反的操作，而且都是编译器添加的自动处理。

　　示例如下：

// 自动装箱 Autoboxing
// Xxx.valueOf(xxx i)
// 编译器会转成 Integer.valueOf(int i) 进行自动装箱
Integer i = 100;
Integer j = Integer.valueOf(100);
System.out.println("i == j --> " + (i == j));
j = Integer.valueOf(i);
System.out.println("i == j --> " + (i == j));
// 直接创建包装器类型的对象
Integer k = new Integer(100);
System.out.println("i == k --> " + (i == k));

// 拆箱 Unboxing
// Xxx..xxxValue()
// 编译器会转成 Integer.intValue() 进行拆箱
int m = i;
System.out.println("i == m --> " + (i == m));

2、自动拆箱和装箱的常见场景

　　这里主要涉及到到几类常见场景：运算符操作、方法参数和方法返回值。这些都是比较常见的存在自动拆箱和装箱过程的场景。详细说明如下：

运算符操作
- 赋值操作 = ：原始数据类型与对应包装器类型之间的相互赋值操作 = ，会自动装箱(拆箱)，前面已经描述过，此不赘述。
  - 注：原始数据类型赋值给 Long ，都需要明确标出是长整型，例如 Long i = 1L; ，否则会报错(Type mismatch: cannot convert from int to Long)。这也间接表明是默认转成 Integer 类型。。
- 算术运算符 + - * / % ：包装器类型之间(或者包装器类型和原始数据类型)的算术运算操作 +- * / %
  - 注：+ - * / % 都是针对原始数据类型，参与运算的包装器类型都会自动拆箱。
- 原始数据类型与包装器类型的大小比较 == 、 < (<=) 、 > (>=)，会自动拆箱。
  - 对于 == ，如果都是包装器类型，则都是对象引用地址的比较，而< (<=) 、 > (>=) 则始终要拆箱。
- 三目运算符 ? : ：当第二、第三位操作数分别为原始数据类型和包装器类型时，其中的包装器对象就会拆箱为原始数据类型进行操作。
  - 对于不同类型的包装器类型的三目运算符操作，则都是拆箱为原始数据类型进行比较，还可能存在原始数据类型提升。
- 注：对于表达式结果，可以直接使用 System.out.println() 进行打印，看看是使用了哪个重载的方法，进行侧面验证。
方法参数和方法返回值：自动装箱和拆箱
- 作为方法参数：
  - 典型案例1：包装器类型.equals(原始数据类型)，原始数据类型会自动装箱。例如： Integer.equals(1) ，1 会自动装箱为 Integer 包装器类型。
  - 典型案例2：将原始数据类型放入集合类
  - 如果方法参数接收的是原始数据类型，则传入包装器类型时会拆箱；如果方法参数接收的是包装器类型，则传入原始数据类型时会自动装箱。
- == 和 equals 的区别(包装器类型和基本类型的比较)
  - equals 使用的是对象进行比较。因此原始数据类型需要装箱。
  - == 如果有原始数据类型，则包装器对象变量需要自动拆箱。
- 作为方法返回值
  - 方法返回值是包装器类型：如果返回的是原始数据类型，会自动装箱
  - 方法返回值是原始数据类型：如果返回的是包装器类型，会拆箱。
- 凡是涉及到拆箱的，都需要注意空指针问题。

/**
 * 自动装箱 和 拆箱 的常见场景
 */

// 1、运算符：=、 +、 -、 *、 /、 %、== 、 < (<=) 、 > (>=)、? :
int int256 = 256;
Integer integer256 = 256;    // 自动装箱
Integer integer255 = 255;    // 自动装箱
boolean bl = true;
// int 原始数据类型
System.out.println(int256);
// Object --> Integer 包装器类型 
System.out.println(integer256);
// 拆箱：int 原始数据类型
// +、 -、 *、 /、 % 都是针对原始数据类型，都会自动拆箱
System.out.println(integer256 + int256);
System.out.println(integer256 - int256);
System.out.println(integer256 * int256);
System.out.println(integer256 / int256);
System.out.println(integer256 % int256);
System.out.println(integer256 + integer256);
System.out.println(bl ? integer256 : int256);
System.out.println(bl ? int256 : integer256);
// Object --> 都是相同的 包装器类型 ，则结果是 包装器类型 
System.out.println(bl ? integer255 : integer256);
Long Long255 = 255L;
// 包装器类型不同，会拆箱和自动类型提升：long 原始数据类型
System.out.println(bl ? integer256 : Long255);
System.out.println("===============2==============");

// 如果是对象比较，则为 false ，表明是原始数据类型自动装箱
// 如果是数值比较，则为 true ，表明是包装器类型自动拆箱
// integer256 拆箱 --> result : true
System.out.println(integer256 == int256);

// int256 自动装箱 --> result : true
System.out.println(integer256.equals(int256));

// 默认 int 类型会自动装箱 Integer ，这里需明确标明为长整型，
// 否则会报错：Type mismatch: cannot convert from int to Long
Long Long256 = 256L;
// 而原始数据类型则不会，原始数据类型可以自动进行类型提升
long kk = 256;
// Long256 拆箱 --> result : true
System.out.println(Long256 == kk);

// Long256 拆箱 --> result : true
System.out.println(Long256 == int256);

// int256 自动装箱 Integer 包装器类型，不同类型比较返回 false
// result : false
System.out.println(Long256.equals(int256));
// result : false
System.out.println(Long256.equals(integer256));
System.out.println("===============3.0==============");

// integer256 拆箱，int256 + int256 结果是 int 类型
Long Long512 = 512L;
// int256 + int256 结果是 int 类型，原始数据类型提升而 Long512 自动拆箱
// result : true
System.out.println(Long512 == (int256 + int256));
// int256 + int256 自动装箱为 Integer
// result : false
System.out.println(Long512.equals(int256 + int256));
System.out.println("===============3.1==============");

// 结果同上
System.out.println(Long512 == (int256 + integer256));
System.out.println(Long512.equals(int256 + integer256));
System.out.println("===============3.2==============");

// 结果同上
System.out.println(Long512 == (integer256 + integer256));
System.out.println(Long512.equals(integer256 + integer256));
System.out.println("===============3.3==============");

// int256 + Long256 自动装箱 Long
System.out.println(Long512 == (int256 + Long256));
System.out.println(Long512.equals(int256 + Long256));
System.out.println("===============3.4==============");

// integer256 + Long256 自动装箱 Long
System.out.println(Long512 == (integer256 + Long256));
System.out.println(Long512.equals(integer256 + Long256));
System.out.println("===============3.5==============");

3、相关问题及陷阱

以下是几个值得注意的问题：

1、缓存问题
- 从源码的实现来看， Integer 本身的 IntegerCache 默认缓存了 [-128 ~ 127] 对应的包装器对象，我们在使用 Integer.valueOf(int i) 时，只要对应的 int 值最终落在[-128 ~ 127]，则返回的都是已经缓存的包装器对象。
- 另一种常见的形式是 Integer i = 100; ，本质上就是调用 Integer.valueOf(int i) ，而 Integer i = new Integer (100); 则不会，它直接返回新创建的对象。
- Byte、Character、Short、Integer、Long都有相关的缓存，而Double/Float则没有。Boolean 则是内部的多例实例：TRUE 和 FALSE。具体可直接查看相关的JDK API源码。
- 注：直接 new 的都是只有 equals 才相等，而 == 都不相等。
- 注：有兴趣的可以使用 javap -c MainClass 查看反编译的class文件，而 IntegerCache 的具体实现，建议直接阅读参考JDK的源码。(后文也有贴上)
2、Integer 等包装器类型的空指针问题
- null 的 Integer/Double 等包装器类型引用直接赋值给原始数据类会报异常 java.lang.NullPointerException。
- 因此，在数据库DAO层的返回结果中，最好不要使用原始数据类型来接收结果字段，建议一直使用包装器类型来做接收处理，否则很容易出现因结果是 null 而导致的空指针异常。（常见的有 int 、double ，使用了 Integer.intValue()/Double.doubleValue() 自动拆箱时报空指针异常）
- 集合接收包装器类型/原始数据类型(自动装箱)，在取值时如果使用原始数据类型来接收，需要特别注意空指针问题。
- 不同类型的包装器类型引用的三元运算符 ?: 会拆箱，需要注意空指针问题，如 Integer 和 Long 。
3、运算
- 当 == 运算符的两个操作数都是包装器类型引用，则比较指向的是否是同一个对象，而如果其中有一个操作数是原始数据类型（包含表达式结果）则比较的是数值（即会触发自动拆箱）。
- 不同类型的包装器不能 == 比较，报错提示：Incompatible operand types Long and Integer
4、大循环体中不建议频繁装拆箱

4、缓存上限的修改

　　以下是 Integer 源码中关于缓存内部静态类 IntegerCache 的相关源码及其文档说明，可以看到，有2种方式来修改缓存的上限(下限 -128 是固定的)，如下：

通过JVM参数 -XX:AutoBoxCacheMax=<size> 来设置
通过系统属性 -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=<size> 来设置

/**
 * 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");
        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() {}
}

5、参考

[1]5.1.7. Boxing Conversion https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-5.html#jls-5.1.7
[2]5.1.8. Unboxing Conversion https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-5.html#jls-5.1.8
[3]Primitive Data Types https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/nutsandbolts/datatypes.html
[4]Autoboxing and Unboxing https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/data/autoboxing.html
[5]How large is the Integer cache? https://*.com/questions/15052216/how-large-is-the-integer-cache
[6]示例可参考 https://github.com/wpbxin/java-learning-station/blob/master/java-basis-learning/src/main/java/cn/wpbxin/javabasis/datatype/PrimitiveDataTypesAndWrapperClass.java

码农公寓

1、自动装箱(Autoboxing)和拆箱(Unboxing)

2、自动拆箱和装箱的常见场景

3、相关问题及陷阱

4、缓存上限的修改

5、参考

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