理解Java Integer的缓存策略

本文将介绍 Java 中 Integer 缓存的相关知识。这是 Java 5 中引入的一个有助于节省内存、提高性能的特性。首先看一个使用 Integer 的示例代码,展示了 Integer 的缓存行为。接着我们将学习这种实现的原因和目的。你可以先猜猜下面 Java 程序的输出结果。很明显,这里有一些小陷阱,这也是我们写这篇文章的原因。

public class JavaIntegerCache {
    public static void main(String[] args) {
        Integer integer1=3;
        Integer integer2=3;
         
        if(integer1==integer2){
            System.out.println("integer1==integer2");
        }else{
            System.out.println("integer1!=integer2");
        }
        Integer integer3=300;
        Integer integer4=300;
         
        if(integer3==integer4){
            System.out.println("integer3==integer4");
        }else{
            System.out.println("integer3!=integer4");
        }
    }
}

大多数人都认为上面的两个判断的结果都是 false。虽然它们的值相等,但由于比较的是对象,而对象的引用不一样,所以会认为两个 if 判断都是 false 的。在 Java 中,== 比较的是对象引用,而 equals 比较的是值。因此,在这个例子中,不同的对象有不同的引用,所以在进行比较的时候都应该返回 false。但是奇怪的是,这里两个相似的 if 条件判断却返回不同的布尔值。

下面是上面代码真正的输出结果,

integer1==integer2
integer3!=integer4

Java 中 Integer 缓存实现

在 Java 5 中,为 Integer 的操作引入了一个新的特性,用来节省内存和提高性能。整型对象在内部实现中通过使用相同的对象引用实现了缓存和重用。

适用于整数区间 -128 到 +127。
这种 Integer 缓存策略仅在自动装箱(autoboxing)的时候有用,使用构造器创建的 Integer 对象不能被缓存。

Java 编译器把原始类型自动转换为封装类的过程称为自动装箱(autoboxing),这相当于调用 valueOf 方法.

Integer a = 10; //this is autoboxing
Integer b = Integer.valueOf(10); //under the hood

我们来看看 valueOf 的源码。

    /**
     * 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);
    }

在创建新的 Integer 对象之前会先在 IntegerCache.cache 中查找。有一个专门的 Java 类来负责 Integer 的缓存。

IntegerCache 类

IntegerCache 是 Integer 类中一个private static的内部类。我们来看看这个类,有比较详细的文档,可以提供我们很多信息。

/**
 * 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() {}
}

其中的javadoc详细的说明了缓存支持-128到127之间的自动装箱过程。最大值127可以通过-XX:AutoBoxCacheMax=size修改。 缓存通过一个for循环实现。从低到高并创建尽可能多的整数并存储在一个整数数组中。这个缓存会在Integer类第一次被使用的时候被初始化出来。以后,就可以使用缓存中包含的实例对象,而不是创建一个新的实例(在自动装箱的情况下)。

实际上这个功能在Java 5中引入的时候,范围是固定的-128 至 +127。后来在Java 6中,可以通过java.lang.Integer.IntegerCache.high设置最大值。这使我们可以根据应用程序的实际情况灵活地调整来提高性能。到底是什么原因选择这个-128到127范围呢?因为这个范围的数字是最被广泛使用的。 在程序中,第一次使用Integer的时候也需要一定的额外时间来初始化这个缓存。

Java语言规范中的缓存行为

Boxing Conversion部分的Java语言规范(JLS)规定如下:

如果一个变量p的值是: -128至127之间的整数(§3.10.1) ,或 true 和 false的布尔值 (§3.10.3) ,或‘\u0000’至 ‘\u007f’之间的字符(§3.10.4) 中时,将p包装成a和b两个对象时,可以直接使用a==b判断a和b的值是否相等。

其他缓存的对象

这种缓存行为不仅适用于Integer对象。我们针对所有整数类型的类都有类似的缓存机制。

有 ByteCache 用于缓存 Byte 对象
有 ShortCache 用于缓存 Short 对象
有 LongCache 用于缓存 Long 对象
有 CharacterCache 用于缓存 Character 对象

ByteShortLong 有固定范围: -128 到 127。对于 Character, 范围是 0 到 127。除了 Integer 可以通过参数改变范围外,其它的都不行。

Java Integer Cache
[译]Java中整型的缓存机制

  • qq_43638135
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