从零开始学Java—Integer底层原理探究

夏天的兔子

在之前的两篇文章中，给大家介绍了Java中的包装类及其特点、用法（从零开始学Java—包装类的装箱与拆箱问题），但是这些内容主要是停留在”怎么用“的层面，没有太多涉及”为什么“，所以接下来会给大家讲一讲Integer这个包装类的底层原理。在现在的就业环境下，我们需要知其然，还要知其所以然，才能更好地满足就业需求。
一. Integer底层原理探究

1. int和Integer的区别

在前面的内容介绍中，给大家讲过Integer这个类，现在大家对它的用法应该都比较清楚了。但是除了要掌握Integer的用法之外，我们还要了解它的一些底层内容，因为在面试时，关于Integer的底层考察的比较多。比如一个常见的面试题是这样的：请问int和Integer的区别有哪些？
面对这样的一道题目，你该怎么回答？常规的答案其实很容易答出来，比如：
● int是基本数据类型，代表整型数据，默认值是0；
● Integer是 int的包装类，属于引用类型，默认值为null；
● int 和 Integer 都可以表示某一个整型数值；
● Integer变量实际是对象的引用，当new一个Integer时，实际上是生成一个指针指向此对象；而int则是直接存储数据值；
● Integer可以区分出未赋值和值为 0 的区别，而int 则无法表达出未赋值的情况；
● int 和 Integer 不能够互用，因为他们是两种不同的数据类型；
● int在初始化时，可以直接写成 int=1 的形式；
● 因为Integer是包装类型，使用时可以采用 Integer i = new Integer(1) 的形式，但因为Java中的自动装箱和拆箱机制，使得对Integer类的赋值也可以使用 Integer i= 1 的形式；
● 如果我们只是进行一些加减乘除的运算 或者 作为参数进行传递，那么就可以直接使用int这样的基本数据类型；但如果想按照对象来进行操作处理，那么就要使用Integer来声明一个对象。
但是如果你只能回答出这样的答案，你在面试官的眼里只能算合格，还算不上优秀，我们需要对Integer了解地更多一些。
2. 被final修饰的Integer类

为了搞清楚Integer的底层，我们就不得不研究一下它的源码，我们来追踪一下Integer源码，如下图所示：



从源码中可以看出，Integer是Number的一个子类，且被final所修饰！请大家回顾一些之前讲过的final知识点。我们知道，被final修饰的类是常量类，该类不能被继承，里面的方法不能被重写，创建出的对象也不能被修改！总之，Integer符合final类的特征。
3. IntegerCache缓冲区

我们还记得，在Integer中有一个valueOf()方法，该方法可以将int值转为Integer对象。接下来我们来看看该方法的实现源码，如下图所示：



从上图的源码截图中我们可以看到，Integer中有一个缓冲区叫做IntegerCache，这是Integer中的一个内部类，如下图所示：



我们可以看到，low就是-128，high等于127，这是缓冲区的最低和最高边界。那么这个缓冲区的存在到底有什么用呢？大家别着急，我们先做几个核心实验。
4. 几个核心实验

为了能够讲清楚Integer的底层逻辑，给大家设计了如下代码，用于验证Integer的底层设计。
4.1 比较new出的两个Integer对象

我们通过new对象的方式，来创建两个Integer对象i和j，并比较这两个对象。
//通过new生成的两个Integer变量进行比较，结果为false
Integer i = new Integer(100);
Integer j = new Integer(100);
System.out.print(i == j); //false从运行的结果中可以看出，通过new生成的两个Integer对象永远是不会相等的。这是因为new生成的是两个对象，Integer变量实际上是对Integer对象的引用，这两个对象的内存地址是不同的。
4.2 Integer对象和int变量进行比较

接下来我们在把一个Integer对象和int变量进行比较，如下：
Integer i = new Integer(100);
int j = 100;
System.out.print(i == j); //trueInteger变量和int变量进行比较时，只要两个变量的值是相等的，结果就为true。这是因为Integer包装类和int基本类型进行比较时，Java会进行自动拆箱操作，将Integer转为了int，然后再进行比较，实际上就变为了两个int变量的比较。本案例中两者的值都是100，所以用“==”等号进行比较时自然就是相等的。
4.3 非new的Integer变量和new出的Integer变量进行比较

然后我们再把一个非new的Integer变量和new出的Integer变量进行比较，如下所示：
//非new生成的Integer变量和new Integer()生成的变量进行比较
Integer i = new Integer(100);
//自动装箱
Integer j = 100;
System.out.print(i == j); //false
在这段代码中，非new生成的Integer变量和new Integer()生成的变量进行比较时，结果却为false！这是因为非new生成Integer变量时，内部会调用valueOf()方法，进行自动装箱操作，此时会把Integer变量的值指向Java常量池中的数据。而new Integer()生成的变量，则指向的是堆中新建的对象，两者在内存中的地址是不同的。
4.4 两个非new生成的Integer对象进行比较

接着我们再对两个非new生成的Integer对象进行比较，如下所示：
//两个非new生成的Integer对象进行比较
//i与j的取值范围是在 -128~127 之间！
Integer i = 100;
Integer j = 100;
System.out.print(i == j); //true

//x与y的取值范围不在 -128~127 之间！
Integer x = 200;
Integer y = 200;
System.out.print(x == y); //false这段代码中，两个非new生成的Integer对象进行比较时，如果两个变量的取值在 -128到127 之间，则比较结果为true；如果两个变量的值不在此区间，则比较结果为false。这又是为什么呢? 其实要想弄明白这个原因，我们只需要看看Integer类的valueOf()方法是怎么写的就可以了。valueOf()方法源码如下：
public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}我们知道，valueOf(int i)方法可以将int值自动装箱变成对应的Integer实例。并且从这段源码中我们可以看到其内部有一个if判断，根据判断结果的不同，会有2种不同的方式得到Integer对象：当arg大于等于-128且小于等于127时，则直接从缓存中返回一个已经存在的对象；如果参数的值不在这个范围内，则new一个Integer对象返回，即要么new Integer，要么从int常量池中获取！
之前我们构建Integer对象的传统方式是直接 new 一个Integer对象，内部会调用构造器。但是根据实践，我们发现大部分的数据操作都是集中在有限的、较小的数值范围内。因而在JDK 1.5中，新增了一个静态工厂方法valueOf(int i)。当我们进行Integer i=xxx 赋值操作时，Java内部会调用执行这个valueOf()实现自动装箱。而在调用valueOf()方法时，其内部会利用缓存机制，对取值在-128~127之间的int值进行缓存操作，这是在JDK 1.5 之后进行的一个可以明显改善性能的提升。而按照Javadoc文档，该缓存机制默认会缓存在 -128 到 127 之间的值，不在该区间的值并不会进行缓存。所以，给Integer i赋值的大小不同，比较的结果也可能会不同。
4.5 ==和equals的区别

最后我们再做一个实验，来看看==与equals比较两个Integer对象时有什么不同。
Integer x = 127;
Integer y = 127;

Integer m = 100000;
Integer n = 100000;

System.out.println("x == y: " + (x==y)); // true
System.out.println("m == n: " + (m==n)); // false

System.out.println("x.equals(y): " + x.equals(y)); // true
System.out.println("m.equals(n): " + m.equals(n)); // true从该实验中可以看出，==比较时，较小的两个相同的Integer会返回true，较大的两个相同的Integer会返回false。结合上面给大家的讲解，你思考一下这是为什么？
5. 结论

通过以上的几个核心实验，可以给大家梳理出一个结论：
当我们利用”==“等号比较两个Integer i 和 Integer j的值时，如果取值范围是在-128~127之间，两个相同的Integer值会返回true；如果不在该区间，两个相同的Integer值会返回false。这是因为Integer是final类，编译器把Integer i = 100; 自动变为Integer i = Integer.valueOf(100);。为了节省内存，Integer.valueOf()对于较小的数，始终会返回相同的实例对象，因此，==比较的结果就是true。
那么如果我们只是为了比较两个Integer对象的值是否相等，而不是为了比较两个对象的地址是否相同，在开发时请尽量使用equals()方法，而不是==！
并且我们现在还知道，在Java中有3种方式可以构造出一个Integer对象，代码如下：
//方法1：
Integer i = new Integer(100);

//方法2：
Integer i = Integer.valueOf(100);

//方法3：
Integer i = 100；实际上，方法2和方法3的本质是一样的，所以开发时为了简洁，我们一般是通过方法3来得到一个Integer对象。但是尽量不要使用方法1来构建Integer对象，这是因为方法1总是会创建一个新的Integer实例，而方法2和方法3则会尽可能地返回缓存的实例对象，以节省内存。
所以最终关于”int和Integer的区别有哪些“这道面试题的答案，如果你想拿到高分，就需要把Integer的底层原理也回答出来才行！如果你可以把以上内容都回答清楚，我相信单凭这一道题目，就足以让面试官对你刮目相看！

二. 结语

这样就给大家分析了 “int和Integer的区别有哪些” 这个面试题，猛一看很简单，实际涉及的内容很多！最后我再梳理一下该问题的回答要点：
1.  先简单回顾Java中的数据类型及取值范围；
2.  然后简介基本类型与包装类，最后还能说明为什么需要有包装类；
3.  接着说一下int与Integer的基本区别；
4.  最后再说int与Integer的深入区别，即底层的源码和原理。
如果你可以把我总结的这4点都能回答好，就这一个问题，面试官就会对你留下深刻的影响，他就会认为你的基础知识足够扎实，因为大多数人只会回答int和Integer的基本区别，很少有人去回答底层的内容！而通过这个问题，面试官也会了解到，你对Java的内存分配是很熟悉的！

三. 今日作业

请回答”int和Integer有哪些区别？“，评论区给出你的答案。