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解锁大厂思维：剖析《阿里巴巴 Java 开发手册》/02 Integer缓存问题分析

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解锁大厂思维：剖析《阿里巴巴 Java 开发手册》

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02 Integer缓存问题分析

更新时间：2019-11-26 09:43:03

我要扼住命运的咽喉，它妄想使我屈服，这绝对办不到。生活是这样美好，活他一千辈子吧！——贝多芬

1. 前言

《手册》第 7 页有一段关于包装对象之间值的比较问题的规约 ¹：

【强制】所有整型包装类对象之间值的比较，全部使用 equals 方法比较。
说明：对于 Integer var = ? 在 - 128 至 127 范围内的赋值，Integer 对象是在 IntegerCache.cache 产生，会复用已有对象，这个区间内的 Integer 值可以直接使用 == 进行判断，但是这个区间之外的所有数据，都会在堆上产生，并不会复用已有对象，这是一个大坑，推荐使用 equals 方法进行判断。

这条建议非常值得大家关注，而且该问题在 Java 面试中十分常见。

我们还需要思考以下几个问题：

如果不看《手册》，我们如何知道 Integer var = ? 会缓存 -128 到 127 之间的赋值？
为什么会缓存这个范围的赋值？
我们如何学习和分析类似的问题？

2.Integer 缓存问题分析

我们先看下面的示例代码，并思考该段代码的输出结果：

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);
	}
}

通过运行代码可以得到答案，程序输出的结果分别为： true , false。

那么为什么答案是这样？

结合《手册》的描述很多人可能会颇有自信地回答：因为缓存了 -128 到 127 之间的数值，就没有然后了。

那么为什么会缓存这一段区间的数值？缓存的区间可以修改吗？其它的包装类型有没有类似缓存？

what? 咋还有这么多问题？这谁知道啊！

莫急，且看下面的分析。

2.1 源码分析法

首先我们可以通过源码对该问题进行分析。

我们知道，Integer var = ? 形式声明变量，会通过 java.lang.Integer#valueOf(int) 来构造 Integer 对象。

很多人可能会说：“你咋能知道这个呢”？

如果不信大家可以打断点，运行程序后会调到这里，总该信了吧？（后面还会再作解释）。

我们先看该函数源码：

/**
 * 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);
}

通过源码可以看出，如果用 Ineger.valueOf(int) 来创建整数对象，参数大于等于整数缓存的最小值（ IntegerCache.low ）并小于等于整数缓存的最大值（ IntegerCache.high）, 会直接从缓存数组 (java.lang.Integer.IntegerCache#cache) 中提取整数对象；否则会 new 一个整数对象。

那么这里的缓存最大和最小值分别是多少呢？

从上述注释中我们可以看出，最小值是 -128, 最大值是 127。

那么为什么会缓存这一段区间的整数对象呢？

通过注释我们可以得知：如果不要求必须新建一个整型对象，缓存最常用的值（提前构造缓存范围内的整型对象），会更省空间，速度也更快。

这给我们一个非常重要的启发：

如果想减少内存占用，提高程序运行的效率，可以将常用的对象提前缓存起来，需要时直接从缓存中提取。

那么我们再思考下一个问题： Integer 缓存的区间可以修改吗？

通过上述源码和注释我们还无法回答这个问题，接下来，我们继续看 java.lang.Integer.IntegerCache 的源码：

/**
 * 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");
           // 省略其它代码
    }
      // 省略其它代码
}

通过 IntegerCache 代码和注释我们可以看到，最小值是固定值 -128，最大值并不是固定值，缓存的最大值是可以通过虚拟机参数 -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} 或 -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=<value> 来设置的，未指定则为 127。

因此可以通过修改这两个参数其中之一，让缓存的最大值大于等于 150。

如果作出这种修改，示例的输出结果便会是： true,true。

学到这里是不是发现，对此问题的理解和最初的想法有些不同呢？

这段注释也解答了为什么要缓存这个范围的数据：

是为了自动装箱时可以复用这些对象 ，这也是 JLS² 的要求。

我们可以参考 JLS 的 Boxing Conversion 部分的相关描述。

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）之间的 int 类型的值，或者 boolean 类型的 true 或 false，以及范围在’\u0000’和’\u007f’ （含）之间的 char 类型的数值 p，自动包装成 a 和 b 两个对象时，可以使用 a == b 判断 a 和 b 的值是否相等。

2.2 反汇编法

那么究竟 Integer var = ? 形式声明变量，是不是通过 java.lang.Integer#valueOf(int) 来构造 Integer 对象呢？总不能都是猜测 N 个可能的函数，然后断点调试吧？

如果遇到其它类似的问题，没人告诉我底层调用了哪个方法，该怎么办？ 囧…

这类问题有个杀手锏，可以通过对编译后的 class 文件进行反汇编来查看。

首先编译源代码：javac IntTest.java

然后需要对代码进行反汇编，执行：javap -c IntTest

如果想了解 javap 的用法，直接输入 javap -help 查看用法提示（很多命令行工具都支持 -help 或 --help 给出用法提示）。

反编译后，我们得到以下代码：

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
}

可以明确得 "看到" 这四个 ``Integer var = ? 形式声明的变量的确是通过 java.lang.Integer#valueOf(int) 来构造 Integer` 对象的。

接下来对汇编后的代码进行详细分析，如果看不懂可略过：

根据《Java Virtual Machine Specification : Java SE 8 Edition》³，后缩写为 JVMS , 第 6 章虚拟机指令集的相关描述以及《深入理解 Java 虚拟机》⁴ 414-149 页的附录 B “虚拟机字节码指令表”。我们对上述指令进行解读：

偏移为 0 的指令为：bipush 100 ，其含义是将单字节整型常量 100 推入操作数栈的栈顶；

偏移为 2 的指令为：invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer; 表示调用一个 static 函数，即 java.lang.Integer#valueOf(int)；

偏移为 5 的指令为：astore_1 ，其含义是从操作数栈中弹出对象引用，然后将其存到第 1 个局部变量 Slot 中；

偏移 6 到 25 的指令和上面类似；

偏移为 30 的指令为 aload_1 ，其含义是从第 1 个局部变量 Slot 取出对象引用（即 a），并将其压入栈；

偏移为 31 的指令为 aload_2 ，其含义是从第 2 个局部变量 Slot 取出对象引用（即 b），并将其压入栈；

偏移为 32 的指令为 if_acmpn，该指令为条件跳转指令，if_ 后以 a 开头表示对象的引用比较。

由于该指令有以下特性：

if_acmpeq 比较栈两个引用类型数值，相等则跳转

if_acmpne 比较栈两个引用类型数值，不相等则跳转

由于 Integer 的缓存问题，所以 a 和 b 引用指向同一个地址，因此此条件不成立（成立则跳转到偏移为 39 的指令处），执行偏移为 35 的指令。

偏移为 35 的指令: iconst_1，其含义为将常量 1 压栈（ Java 虚拟机中 boolean 类型的运算类型为 int ，其中 true 用 1 表示，详见 2.11.1 数据类型和 Java 虚拟机。

然后执行偏移为 36 的 goto 指令，跳转到偏移为 40 的指令。

偏移为 40 的指令：invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V。

可知参数描述符为 Z ，返回值描述符为 V。

根据 4.3.2 字段描述符，可知 FieldType 的字符为 Z 表示 boolean 类型，值为 true 或 false。
根据 4.3.3 字段描述符，可知返回值为 void。

因此可以知，最终调用了 java.io.PrintStream#println(boolean) 函数打印栈顶常量即 true。

然后比较执行偏移 43 到 57 之间的指令，比较 c 和 d，打印 false 。

执行偏移为 60 的指令，即 retrun ，程序结束。

可能有些朋友会对反汇编的代码有些抵触和恐惧，这都是非常正常的现象。

我们分析和研究问题的时候，看懂核心逻辑即可，不要纠结于细节，而失去了重点。

一回生两回熟，随着遇到的例子越来越多，遇到类似的问题时，会喜欢上 javap 来分析和解决问题。

如果想深入学习 java 反汇编，强烈建议结合官方的 JVMS 或其中文版:《Java 虚拟机规范》这本书进行拓展学习。

如果大家不喜欢命令行的方式进行 Java 的反汇编，这里推荐一个简单易用的可视化工具：classpy ，大家可以自行了解学习。

3.Long 的缓存问题分析

我们学习的目的之一就是要学会举一反三。因此我们对 Long 也进行类似的研究，探究两者之间有何异同。

3.1 源码分析

类似的，我们接下来分析 java.lang.Long#valueOf(long) 的源码：

/**
 * 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);
}

发现该函数的写法和 Ineger.valueOf(int) 非常相似。

我们同样也看到， Long 也用到了缓存。使用 java.lang.Long#valueOf(long) 构造 Long 对象时，值在 [-128, 127] 之间的 Long 对象直接从缓存对象数组中提取。

而且注释同样也提到了：缓存的目的是为了提高性能。

但是通过注释我们发现这么一段提示：

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，此方法并没有被要求缓存特定范围的值。

这也正是上面源码中缓存范围判断的注释为何用 // will cache 的原因（可以对比一下上面 Integer 的缓存的注释）。

因此我们可知，虽然此处采用了缓存，但应该不是 JLS 的要求。

那么 Long 类型的缓存是如何构造的呢？

我们查看缓存数组的构造：

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，它是在静态代码块中填充缓存数组的。

3.2 反编译

同样地我们也编写一个示例片段：

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);
    }
}

编译源代码： javac LongTest.java

对编译后的类文件进行反汇编: javap -c LongTest

得到下面反编译的代码：

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
}

我们从上述代码中发现 Long var = ? 的确是通过 java.lang.Long#valueOf(long) 来构造对象的。

3. 总结

本小节通过源码分析法、阅读 JLS 和 JVMS、使用反汇编法，对 Integer 和 Long 缓存的目的和实现方式问题进行了深入分析。

让大家能够通过更丰富的手段来学习知识和分析问题，通过对缓存目的的思考来学到更通用和本质的东西。

本节使用的几种手段将是我们未来常用的方法，也是工作进阶的必备技能和一个程序员专业程度的体现，希望大家未来能够多动手实践。

下一节我们将介绍 Java 序列化相关问题，包括序列化的定义，序列化常见的方案，序列化的坑点等。

4. 课后题

第 1 题：请大家根据今天的研究分析过程，对下面的一个示例代码进行分析。

public class CharacterTest {
    public static void main(String[] args) {
        Character a = 126, b = 126, c = 128, d = 128;
        System.out.println(a == b);
        System.out.println(c == d);
    }
}

第 2 题：结合今天的讲解，请自行对 Character、 Short 、Boolean 的缓存问题进行分析，并比较它们的异同。

参考资料

阿里巴巴与 Java 社区开发者.《 Java 开发手册 1.5.0》华山版. 2019. 7 ↩︎
James Gosling, Bill Joy, Guy Steele, Gilad Bracha, Alex Buckley.《Java Language Specification: Java SE 8 Edition》. 2015 ↩︎
Tim Lindholm, Frank Yellin, Gilad Bracha, Alex Buckley. 《Java Virtual Machine Specification : Java SE 8 Edition》. 2015 ↩︎
周志明.《深入理解 Java 虚拟机》. 机械工业出版社. 2018 ↩︎

}

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