Java坑人面試題系列: 包裝類（中級難度）

鐵錨發表於2020-02-09
Java面試題

Java Magazine上面有一個專門坑人的面試題系列: https://blogs.oracle.com/javamagazine/quiz-2。

這些問題的設計宗旨，主要是測試面試者對Java語言的瞭解程度，而不是為了用彎彎繞繞的手段把面試者搞蒙。

如果你看過往期的問題，就會發現每一個都不簡單。

這些試題模擬了認證考試中的一些難題。 而 “中級(intermediate)” 和 “高階(advanced)” 指的是試題難度，而不是說這些知識本身很深。 一般來說，“高階”問題會稍微難一點。

先思考一個簡單的問題: 兩個 Integer 包裝類物件。 怎樣比較它們的值是否相等，有哪些方法？

問題（中級難度）

在開發中我們經常會使用包裝類（例如 Boolean, Double, 以及 Integer 等等）。

請看下面的程式碼片段：

String one = "1";
Boolean b1 = Boolean.valueOf(one);  // line n1
Integer i1 = new Integer(one);
Integer i2 = 1;
if (b1) {
    System.out.print(i1 == i2);
}

執行結果是什麼， 請選擇:

  • A、 丟擲執行時異常
  • B、 true
  • C、 false
  • D、 無任何輸出

答案和解析

這個問題考察原生資料的包裝類（primitive wrapper），主要是 Boolean 類比較生僻的 valueOf 工廠方法。
在認證考試和麵試中，這個問題可能不太容易碰到，因為主要還是靠死記硬背， 大部分考試都會避免此類問題。
但是，這個問題從多個方面綜合考察了面試者對Java語言的理解和認識水平， 有一點小坑，但關鍵在於解答的過程。

包裝類主要提供了三種獲取物件例項的方法:

    1. 每個包裝類都有名為 valueOf 的靜態工廠方法。
    1. 如果語義很清晰， 在程式碼中將原生資料型別賦值給包裝類的變數，則會發生自動裝箱 (autoboxing)。 自動裝箱只是語法上的簡寫，它允許編譯器 (javac) 自動呼叫valueOf方法, 目的是為了編碼更簡潔。
    1. 第三種方法是使用構造器, 也就是通過 new 關鍵字來呼叫建構函式。 實際上，在 Java 9 中已經不推薦使用第三種方法， 而本文的一個目標是解釋為什麼不贊成使用它。

在Java中，只要使用 new 關鍵字呼叫建構函式，只會發生兩種情況： 要麼成功建立指定型別的新物件並返回，要麼就拋異常。
這實際上是一個限制，如今一般是推薦使用工廠方法， 因為工廠方法除了達成建構函式的效果之外， 還會有一些優化。

工廠方法的有些功能是用建構函式實現不了的: 比如返回與請求引數相匹配的已快取的例項物件。
因為 Integer 包裝器是不可變的， 表示相同數值的兩個Integer物件一般是可以互換的。
因此，建立多個表示相同值的物件例項會浪費記憶體。
很多情況下，工廠方法返回的兩個物件允許使用 == 來比較， 而不必每次都寫成 equals(Object o) 這種方式。
對於 Integer 類來說，一般只快取了 -128 到 +127 範圍內的值。

這種行為類似於在編碼中直接使用 "XXX" 這種字面量表示方式， 而不是 new String("XXX")。

工廠方法更加靈活：

  • 如果有多個工廠方法，則每個方法都可以使用不同的名稱，因為名稱不同，也就可以使用相同的入參宣告。
  • 對於建構函式而言，因為必須引數型別不同才能形成過載，也就不可能根據同樣的引數構造不同的物件。

第三個優點是, Java中用 new 呼叫建構函式只能返回固定型別的物件。
而用工廠方法則可以返回相容的各種型別物件例項（例如介面的實現類，而且這是一種隱藏實現細節的絕佳方法）。

回到這個問題，最關鍵的地方在於， 我們使用 Boolean.valueOf(...) 方法時， 只會得到兩個常量物件： Boolean.TRUE 和 Boolean.FALSE。
這兩個物件可以被重複利用，不會浪費多餘的記憶體。 如果使用 new 呼叫顯然是不可能的。

大部分包裝類的工廠方法, 如果傳入了 null 引數, 或者字串引數不符合目標值的表現形式就會丟擲異常,例如，Integer.valueOf("six") 就會拋異常。

但 java.lang.Boolean 類的工廠方法是個特例， 內部實現判斷的是非空(null)並且等於 “true”（忽略大小寫）。

內部實現如下所示：

public static boolean parseBoolean(String s) {
    return ((s != null) && s.equalsIgnoreCase("true"));
}

如果滿足這兩個條件則返回 Boolean.TRUE。
否則直接返回 Boolean.FALSE。
這意味著： 如果傳入 null 或者無意義的字串, 則會返回 Boolean.FALSE，並不會丟擲異常。

基於這點，我們可以確定 n1 行那裡不會丟擲異常，而是返回 Boolean.FALSE, 被賦值給變數 b1。
因此，可以確定 選項A不正確。

然後我們看一下 if 語句和裡面的比較程式碼。

一般來說 if 語句小括號中的表示式必須是 boolean 型別。
顯然，這裡會自動將 Boolean 物件進行拆箱操作, 變為 boolean 型別。
這算是Java的基礎知識，當然，如果在 Java 5 之前的版本這樣寫, 程式碼確實會無法編譯。
即使有這樣的擔憂，但因為沒有【編譯錯誤】的選項，所以我們不關注這個問題。

在這種情況下，我們已經確定 b1 所引用的物件值相當於 false。 因此，if 判斷不通過，裡面的程式碼不會被執行。
所以我們可以確定 選項D是正確的。

雖然我們已經確定 if 語句內部的程式碼沒有執行，但是面試過程中可能會問到： 如果執行了呢，又是什麼結果。

Java語言中有兩種形式的相等比較。

  • 第一種是 == 運算子，是Java語法的一部分。
  • 第二種是 equals(Object o) 方法，本質上是一個API。

每個物件都可以使用 equals(Object o) 方法，因為這個方法是在 java.lang.Object 類中定義的。
除非某個類覆寫了equals方法，否則這個方法一般不定返回 true。
下面我們主要討論 == 運算子，如果對 equals 方法的實現感興趣, 請參考: Java中hashCode與equals方法的約定及重寫原則。

== 運算子比較兩個表示式的值。
聽起來很簡單，但是表示式的值可能有兩種不同的型別。這兩種型別使用 == 的結果可能會不同。
順便說一下，這裡故意使用術語“表示式”， 而變數是一種簡單的表示式。

表示式主要有兩種型別：

  • 原生資料型別/基本資料型別 (primitive, 共8種: boolean, byte, short, char, int, long, float, double)
  • 引用型別(reference)。 引用類似於指標， 表示記憶體中某個物件的地址值(可以認為是一個偏移量數值)。

如果表示式是原生資料型別，則表示式的值很直觀。 例如，如果 int 表示式的值為 32，則該表示式的值就是32的二進位制表示形式。

但問題是，如果變數是引用型別呢（例如，Integer 型別）， 它所引用物件內部的值為32，那麼這個引用的值 並不是32。
而是一個神祕的數字（引用地址），通過這個引用地址，JVM可以找到對應的 Integer 物件。

也就是說，對於引用型別(即除了8種原生資料型別之外的所有型別)， == 表示式判斷的是這兩個引用的記憶體地址值是否相等，即判斷它們是否引用了同一個物件。
最重要的是，即使兩個 Integer 物件裡面的值都是 32，但如果它們是不同的物件， 那麼它們的引用地址也就不同，使用==比較會返回 false。

這一點應該很好理解，再看下面這樣的程式碼：

Integer v1 = new Integer("1");
Integer v2 = new Integer("1");
System.out.print(v1 == v2);

這裡的輸出肯定是 false。
前面提到過，new 關鍵字的任何呼叫，要麼產生一個新物件, 要麼拋異常。
這意味著 v2 和 v1 引用了不同的物件，== 操作的結果為 false。

換一種方式，如果有以下程式碼：

Integer v1 = new Integer("1");
Integer v2 = 1;
System.out.print(v1 == v2);

這與面試題中的程式碼很像，一個使用建構函式, 一個使用自動裝箱，可以肯定這也會輸出 false。
建構函式建立的物件必定是唯一的新物件，因此，不可能 == 自動裝箱為工廠方法返回的物件。

不可變物件的工廠方法一般都會有特殊處理，只要在一個範圍內，並且引數相等，就返回同一個（快取的）物件。

Integer 類的API文件中，對 valueOf(int) 方法有如下說明：

“此方法將始終快取 [-128 ~ 127] 範圍內的值， 可能還會快取這個範圍之外的其他值。”

Integer v1 = Integer.valueOf(1);
Integer v2 = Integer.valueOf(1);
System.out.print(v1 == v2);

也就是說，上面這段程式碼肯定會輸出 true。

雖然只在 valueOf(int) 和 valueOf(String) 方法的文件說明中提到了這個快取保證。
但在實際的實現中， 其他包裝類也表現出相同的快取行為。

當然，這裡討論了兩個 Integer 物件： 一個是使用建構函式建立，另一個是使用自動裝箱建立（Integer.valueOf(int) 方法）。
假如我們稍微改變一下面試題中 if 語句，則輸出內容將為 false。

總結: 本文開始提到的面試題， 選項D是正確答案。 這裡只是附帶的討論。

相關連結

原文連結: https://blogs.oracle.com/javamagazine/quiz-intermediate-wrapper-classes

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