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码出规范:《阿里巴巴Java开发手册》详解

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02 Integer缓存问题分析
更新时间:2019-11-10 13:22:38
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>}-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--help 给出用法提示)。
图片描述

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 truefalse
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。
图片描述

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 IntegerLong 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CharacterShortBoolean 的缓存问题进行分析,并比较它们的异同。

参考资料


  1. 阿里巴巴与 Java 社区开发者.《 Java 开发手册 1.5.0》华山版. 2019. 7 ↩︎

  2. James Gosling, Bill Joy, Guy Steele, Gilad Bracha, Alex Buckley.《Java Language Specification: Java SE 8 Edition》. 2015 ↩︎

  3. Tim Lindholm, Frank Yellin, Gilad Bracha, Alex Buckley.《Java Language Specification: Java SE 8 Edition》. 2015 ↩︎

  4. 周志明.《深入理解 Java 虚拟机》. 机械工业出版社. 2018 ↩︎

}
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