Java基本資料型別和Integer快取機制

Brewin發表於2020-09-15
Java資料型別快取

​ 整型：byte（最小的資料型別）、short（短整型）、int（整型）、long（長整型）；

​ 浮點型：float（浮點型）、double（雙精度浮點型）；

​ 字元型：char（字元型）；

​ 布林型：boolean（布林型）。

資料型別名稱 佔用位元組 預設值 最小值最大值 對應包裝類
整數型別 byte 1 0 -128（-2^7）~ 127(2^7-1) Byte
整數型別 short 2 0 -32768（-2^15）~ 32767（2^15 - 1） Short
整數型別 int 4 0 -2,147,483,648（-2^31）~ 2,147,483,647（2^31 - 1） Integer
整數型別 long 8 0.0L -9,223,372,036,854,775,808（-2^63）~ 9,223,372,036,854,775,807（2^63 -1） Long
浮點型別 float 4 0.0f 1.4E-45 ~ 3.4028235E38 Float
浮點型別 double 8 0.0 4.9E-324 ~ 1.7976931348623157E308 Double
字元型別 char 2 空 \u0000（即為0）~ \uffff（即為65,535） Character
布林型別 boolean 1 flase true 和 false Boolean

Integer 快取是 Java 5 中引入的一個有助於節省記憶體、提高效能的特性。

Integer的快取機制： Integer是對小資料（-128127）是有快取的，再jvm初始化的時候，資料-128127之間的數字便被快取到了本地記憶體中，如果初始化-128~127之間的數字，會直接從記憶體中取出，不需要新建一個物件.

首先看一個使用 Integer 的示例程式碼，展示了 Integer 的快取行為。

    /**
     * 測試Integer的快取 IntegerCache.cache
     */
    private static void testIntegerCache() {
        System.out.println("---int---");
        int a = 127, b = 127;
        System.out.println(a == b);         //true
        a = 128;
        b = 128;
        System.out.println(a == b);         //true

        System.out.println("---Integer---");
        Integer aa = 127, bb = 127;
        System.out.println(aa == bb);       //true
        aa = 128;
        bb = 128;
        System.out.println(aa == bb);       //false
        System.out.println(aa.equals(bb));  //true
    }

在 Java 5 中，為 Integer 的操作引入了一個新的特性，用來節省記憶體和提高效能。整型物件在內部實現中透過使用相同的物件引用實現了快取和重用。
上面的規則適用於整數區間 -128 到 +127。

Java 編譯器把原始型別自動轉換為封裝類的過程稱為自動裝箱（autoboxing），這相當於呼叫 valueOf 方法。

下面是 JDK 1.8.0 build 25 中的程式碼。

    /**
     * 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);
    }

在建立新的 Integer 物件之前會先在 IntegerCache.cache (是個Integer型別的陣列)中查詢。

IntegerCache 是 Integer 類中一個私有的靜態類，負責 Integer 的快取。

    /**
     * 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() {}
    }

Javadoc 詳細的說明這個類是用來實現快取支援，並支援 -128 到 127 之間的自動裝箱過程。最大值 127 可以透過 JVM 的啟動引數 -XX:AutoBoxCacheMax=size 修改。 快取透過一個 for 迴圈實現。從小到大的建立儘可能多的整數並儲存在一個名為 cache 的整數陣列中。這個快取會在 Integer 類第一次被使用的時候被初始化出來。以後，就可以使用快取中包含的例項物件，而不是建立一個新的例項(在自動裝箱的情況下)。

實際上在 Java 5 中引入這個特性的時候，範圍是固定的 -128 至 +127。後來在 Java 6 中，最大值對映到 java.lang.Integer.IntegerCache.high，可以使用 JVM 的啟動引數設定最大值。這使我們可以根據應用程式的實際情況靈活地調整來提高效能。是什麼原因選擇這個 -128 到 127 這個範圍呢？因為這個範圍的整數值是使用最廣泛的。 在程式中第一次使用 Integer 的時候也需要一定的額外時間來初始化這個快取。

Java 語言規範中的快取行為
在 Boxing Conversion 部分的Java語言規範(JLS)規定如下：
如果一個變數 p 的值屬於：-128至127之間的整數(§3.10.1)，true 和 false的布林值 (§3.10.3)，’u0000′ 至 ‘u007f’ 之間的字元(§3.10.4)中時，將 p 包裝成 a 和 b 兩個物件時，可以直接使用 a == b 判斷 a 和 b 的值是否相等。
其他快取的物件
這種快取行為不僅適用於Integer物件。我們針對所有整數型別的類都有類似的快取機制。
有 ByteCache 用於快取 Byte 物件
有 ShortCache 用於快取 Short 物件
有 LongCache 用於快取 Long 物件
有 CharacterCache 用於快取 Character 物件
Byte，Short，Long 有固定範圍: -128 到 127。對於 Character, 範圍是 0 到 127。除了 Integer 可以透過引數改變範圍外，其它的都不行。

浮點型別是指用於表示小數的資料型別。

單精度和雙精度的區別：

​ 單精度浮點型float，用32位儲存，1位為符號位, 指數8位, 尾數23位，即：float的精度是23位，能精確表達23位的數，超過就被擷取。

​ 雙精度浮點型double，用64位儲存，1位符號位,11位指數,52位尾數，即：double的精度是52位，能精確表達52位的數，超過就被擷取。

​ 雙精度型別double比單精度型別float具有更高的精度，和更大的表示範圍，常常用於科學計算等高精度場合。

浮點數與小數的區別：

​ 1）在賦值或者儲存中浮點型別的精度有限，float是23位，double是52位。

​ 2）在計算機實際處理和運算過程中，浮點數本質上是以二進位制形式存在的。

​ 3）二進位制所能表示的兩個相鄰的浮點值之間存在一定的間隙，浮點值越大，這個間隙也會越大。如果此時對較大的浮點數進行操作時，浮點數的精度問題就會產生，甚至出現一些“不正常”的現象。

為什麼不能用浮點數來表示金額

先給出結論：金額用BigDecimal

1）精度丟失問題

​ 從上面我們可以知道，float的精度是23位，double精度是63位。在儲存或運算過程中，當超出精度時，超出部分會被截掉，由此就會造成誤差。

​ 對於金額而言，捨去不能表示的部分，損失也就產生了。

32位的浮點數由3部分組成：1位元的符號位，8位元的階碼（exponent,指數），23位元的尾數（Mantissa，尾數）。這個結構會表示成一個小數點左邊為1，以底數為2的科學計數法表示的二進位制小數。浮點數的能表示的資料大小範圍由階碼決定，但是能夠表示的精度完全取決於尾數的長度。long的最大值是2的64次方減1，需要63個二進位制位表示，即便是double，52位的尾數也無法完整的表示long的最大值。不能表示的部分也就只能被捨去了。對於金額，捨去不能表示的部分，損失也就產生了。
  瞭解了浮點數表示機制後，丟失精度的現象也就不難理解了。但是，這只是浮點數不能表示金額的原因之一。還有一個深刻的原因與進位制轉換有關。十進位制的0.1在二進位制下將是一個無線迴圈小數。

public class MyTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        float increment = 0.1f;  
        float expected = 1;  
        float sum = 0;  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            sum += increment;  
            System.out.println(sum);  
        }  

        if (expected == sum) {  
            System.out.println("equal");  
        } else {  
            System.out.println("not equal ");  
        }  
    }  
}

輸出結果：

0.1  
0.2  
0.3  
0.4  
0.5  
0.6  
0.70000005  
0.8000001  
0.9000001  
1.0000001  
not equal

2）進位制轉換誤差

​ 從上面我們可以知道，在計算機實際處理和運算過程中，浮點數本質上是以二進位制形式存在的。

​ 而十進位制的0.1在二進位制下將是一個無限迴圈小數，這就會導致誤差的出現。

​ 如果一個小數不是2的負整數次冪，用浮點數表示必然產生浮點誤差。

​ 換言之：A進位制下的有限小數，轉換到B進位制下極有可能是無限小數，誤差也由此產生。

​ 浮點數不精確的根本原因在於：尾數部分的位數是固定的，一旦需要表示的數字的精度高於浮點數的精度，那麼必然產生誤差！

​ 解決這個問題的方法是BigDecimal的類，這個類可以表示任意精度的數字，其原理是：用字串儲存數字，轉換為陣列來模擬大數，實現兩個陣列的數學運算並將結果返回。

BigDecimal的使用要點：

​ 1、BigDecimal變數初始化——必須用傳入String的構造方法

`BigDecimal num1 = ``new` `BigDecimal(0.005);``//用數值轉換成大數，有誤差``BigDecimal num12 = ``new` `BigDecimal(``"0.005"``);``//用字串轉換成大數，無誤差`

因為：不是所有的浮點數都能夠被精確的表示成一個double 型別值，有些浮點數值不能夠被精確的表示成 double 型別值時，它會被表示成與它最接近的 double 型別的值，此時用它來初始化一個大數，會“先造成了誤差，再用產生了誤差的值生成大數”，也就是“將錯就錯”。

​ 2、使用除法函式在divide的時候要設定各種引數，要精確的小數位數和舍入模式，其中有8種舍入模式：

1、ROUND_UP

遠離零的舍入模式。

在丟棄非零部分之前始終增加數字(始終對非零捨棄部分前面的數字加1)。

注意，此舍入模式始終不會減少計算值的大小。


2、ROUND_DOWN

接近零的舍入模式。

在丟棄某部分之前始終不增加數字(從不對捨棄部分前面的數字加1，即截短)。

注意，此舍入模式始終不會增加計算值的大小。


3、ROUND_CEILING

接近正無窮大的舍入模式。

如果 BigDecimal 為正，則舍入行為與 ROUND_UP 相同;

如果為負，則舍入行為與 ROUND_DOWN 相同。

注意，此舍入模式始終不會減少計算值。


4、ROUND_FLOOR

接近負無窮大的舍入模式。

如果 BigDecimal 為正，則舍入行為與 ROUND_DOWN 相同;

如果為負，則舍入行為與 ROUND_UP 相同。

注意，此舍入模式始終不會增加計算值。


5、ROUND_HALF_UP

向“最接近的”數字舍入，如果與兩個相鄰數字的距離相等，則為向上舍入的舍入模式。

如果捨棄部分 >= 0.5，則舍入行為與 ROUND_UP 相同;否則舍入行為與 ROUND_DOWN 相同。

注意，這是我們大多數人在小學時就學過的舍入模式(四捨五入)。


6、ROUND_HALF_DOWN

向“最接近的”數字舍入，如果與兩個相鄰數字的距離相等，則為上舍入的舍入模式。

如果捨棄部分 > 0.5，則舍入行為與 ROUND_UP 相同;否則舍入行為與 ROUND_DOWN 相同(五舍六入)。


7、ROUND_HALF_EVEN

向“最接近的”數字舍入，如果與兩個相鄰數字的距離相等，則向相鄰的偶數舍入。

如果捨棄部分左邊的數字為奇數，則舍入行為與 ROUND_HALF_UP 相同;

如果為偶數，則舍入行為與 ROUND_HALF_DOWN 相同。

注意，在重複進行一系列計算時，此舍入模式可以將累加錯誤減到最小。

此舍入模式也稱為“銀行家舍入法”，主要在美國使用。

如果前一位為奇數，則入位，否則捨去。

以下例子為保留小數點1位，那麼這種舍入方式下的結果。

1.15>1.2 1.25>1.2


8、ROUND_UNNECESSARY

斷言請求的操作具有精確的結果，因此不需要舍入。

如果對獲得精確結果的操作指定此舍入模式，則丟擲ArithmeticException。

1、short s1 = 1; s1 = s1 + 1;有什麼錯? short s1 = 1; s1 +=1;有什麼錯?

答：對於short s1=1;s1=s1+1來說，在s1+1運算時會自動提升表示式的型別為int，那麼將int賦予給short型別的變數s1會出現型別轉換錯誤。

對於short s1=1;s1+=1來說 +=是java語言規定的運算子，java編譯器會對它進行特殊處理，因此可以正確編譯。

2、char型別變數能不能儲存一箇中文的漢子，為什麼？

char型別變數是用來儲存Unicode編碼的字元的，unicode字符集包含了漢字，所以char型別當然可以儲存漢字的，還有一種特殊情況就是某個生僻字沒有包含在unicode編碼字符集中，那麼就char型別就不能儲存該生僻字。

3、Integer和int的區別

int是java的8種內建的原始資料型別。Java為每個原始型別都提供了一個封裝類，Integer就是int的封裝類。

int變數的預設值為0，Integer變數的預設值為null，這一點說明Integer可以區分出未賦值和值為0的區別，比如說一名學生沒來參加考試，另一名學生參加考試全答錯了，那麼第一名考生的成績應該是null，第二名考生的成績應該是0分。關於這一點Integer應用很大的。Integer類內提供了一些關於整數操作的一些方法，例如上文用到的表示整數的最大值和最小值。

4、switch語句能否作用在byte上，能否作用在long上，能否作用在string上？

byte的儲存範圍小於int，可以向int型別進行隱式轉換，所以switch可以作用在byte上

long的儲存範圍大於int，不能向int進行隱式轉換，只能強制轉換，所以switch不可以作用在long上

string在1.7版本之前不可以，1.7版本之後switch就可以作用在string上了

5.是否存在 x>x+1?為什麼？

這就是臨界值，當x=最大值 時； 再加1（根據二進位制運算+1）就超過了它的臨界值，剛好會是它最小值。

舉個例子吧，byte 8位， -128 ~ 127

127 二進位制： 0111 1111

1 二進位制 ： 0000 0001

相加結果： 1000 0000

byte 8位 有符號， 1000 0000 剛好 為 -128

java 基礎–8 種基本資料型別：整型、浮點型、布林型、字元型 整型中 byte、short、int、long 的取值範圍 什麼是浮點型？什麼是單精度和雙精度？為什麼不能用浮點型表示金額？

理解Java Integer的快取策略

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