JDK：java.lang.Integer源码解析

Posted 2020-11-19 若水天涯

本文对JDK8中的java.lang.Integer包装类的部分数值缓存技术、valueOf()、stringSize()、toString()、getChars()、parseInt()等进行简要分析。

Integer缓存

先来看一段代码：

Integer a1 = Integer.valueOf(13);
Integer a2 = Integer.valueOf(13);
Integer a3 = Integer.valueOf(133);
Integer a4 = Integer.valueOf(133);

System.out.println(a1 == a2);   // 输出 true
System.out.println(a3 == a4);   // 输出 false

 

两个输出语句具有不同的输出，在于Integer使用了一个静态内部类（嵌套类），里面包含了一个缓存数组cache[]，默认情况下，[-128, 127]之间的整数会在第一次使用时（类加载时）被自动装箱，放在cache[]数组里。区间的上限值high设置JVM参数-XX:AutoBoxCacheMax来改变，默认情况下参数为127（byte类型的范围），存储在java.lang.Integer.IntegerCache.high属性中。

    // 静态内部类实现[-128, 127]的缓存
    private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            // high 值通过JVM进行设置，默认为127
            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);
                    // 最大缓存上限 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() {}
    }

而使用Integer.valueOf()进行构造时，就使用了cache[]缓存数组。因此使用该方法构造的Integer对象如果在缓存区间内，会直接返回cache[]数组内的相应的引用，自然就是同一个对象；否则将生成一个全新的Integer对象。与此对应的，如果使用构造函数Integer()直接构造，根本没有使用到缓存数组，生成的一定是全新的Integer对象。因此使用Integer.valueOf()构造能够节省资源，提高效率。

    // 使用cache[]数组构造
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

    // 使用构造函数构造
    public Integer(int value) {
        this.value = value;
    }

stringSize()

这个函数不是个public权限的函数，作为内部工具方法使用。这个方法的实现是很巧妙的，避免除法、求余等，判断条件简单，效率高（采用静态field分析，而不是负责逻辑判断可以明显提高效果）。（int 最大长只有10）

    final static int [] sizeTable = { 9, 99, 999, 9999, 99999, 999999, 9999999,
                                      99999999, 999999999, Integer.MAX_VALUE };

    // Requires positive x 参数必须为正数
    static int stringSize(int x) {
        for (int i=0; ; i++)
            if (x <= sizeTable[i])
                return i+1;
    }

toString(int i , int radix)

一个整数在给定进制的字符串表示。

    public static String toString(int i, int radix) {
        if (radix < Character.MIN_RADIX || radix > Character.MAX_RADIX)
            radix = 10;

        /* 如果是10进制，使用更加快速的转换方式 */
        if (radix == 10) {
            return toString(i);
        }

        char buf[] = new char[33];
        boolean negative = (i < 0);
        int charPos = 32;  // int占4个字节，32bit

        // 以负数为基准进行处理
        if (!negative) {
            i = -i;
        }

        // 代码的简洁！！ radix为进制，最小为2，最高位36
        while (i <= -radix) {
            buf[charPos--] = digits[-(i % radix)];
            i = i / radix;
        }
        buf[charPos] = digits[-i];
        // 负数的符号位
        if (negative) {
            buf[--charPos] = ‘-‘;
        }

        return new String(buf, charPos, (33 - charPos));
    }

上面的代码使用了一个final static 的字符数组digits[]，直接根据i与进制radix的求余结果从digits[]里面取值，提高运算效率。

    /** 所有可能代表数字的字符，最高支持36进制
     * All possible chars for representing a number as a String
     */
    final static char[] digits = {
        ‘0‘ , ‘1‘ , ‘2‘ , ‘3‘ , ‘4‘ , ‘5‘ ,
        ‘6‘ , ‘7‘ , ‘8‘ , ‘9‘ , ‘a‘ , ‘b‘ ,
        ‘c‘ , ‘d‘ , ‘e‘ , ‘f‘ , ‘g‘ , ‘h‘ ,
        ‘i‘ , ‘j‘ , ‘k‘ , ‘l‘ , ‘m‘ , ‘n‘ ,
        ‘o‘ , ‘p‘ , ‘q‘ , ‘r‘ , ‘s‘ , ‘t‘ ,
        ‘u‘ , ‘v‘ , ‘w‘ , ‘x‘ , ‘y‘ , ‘z‘
    };

toString()

toString()方法返回当前Integer对象的字符串表示。可能有人觉得上面的toString(int i, int radix)已经是通用算法了，但是JDK在并没有这样(即radix是10的情况），而是采用了效率更高的方法。

    public String toString() {
        return toString(value);
    }

    // toString()的调用方法
    // 必须先判断Integer.MIN_VALUE，因为getChars()方法中使用了i=-i
    // 以负数为基准，对于i=Integer.MIN_VALUE将会产生溢出
    public static String toString(int i) {
        if (i == Integer.MIN_VALUE)
            return "-2147483648";
        // 获取字符串表示的字符串长度，考虑了负数的符号位
        int size = (i < 0) ? stringSize(-i) + 1 : stringSize(i);
        // 将Integer数读入到char[]数组
        char[] buf = new char[size];
        getChars(i, size, buf);
        return new String(buf, true);
    }

这个算法的核心是getChars的实现，即将一个整数高效地逐位存入一个char数组中。

    // 核心代码，从后向前将Integer读入char[]字符表示数组，如果i = MIN_VALUE将会发生大数溢出
    // fail if i == Integer.MIN_VALUE
    static void getChars(int i, int index, char[] buf) {
        int q, r;
        int charPos = index;
        char sign = 0;

        if (i < 0) {
            sign = ‘-‘;
            i = -i;
        }

        // 处理超过2的16次方的大数
        // Generate two digits per iteration
        while (i >= 65536) {
            q = i / 100;
            // really: r = i - (q * 100);
            r = i - ((q << 6) + (q << 5) + (q << 2));
            i = q;
            buf [--charPos] = DigitOnes[r];  // 个位上的数字
            buf [--charPos] = DigitTens[r];  // 十位上的数字
        }

        // 处理小于2的16次方的数
        // Fall thru to fast mode for smaller numbers
        for (;;) {
            q = (i * 52429) >>> (16+3);  // 达到q=i/10的效果
            r = i - ((q << 3) + (q << 1));  // r = i-(q*10) ...
            buf [--charPos] = digits [r];
            i = q;
            if (i == 0) break;
        }

        // 符号判断
        if (sign != 0) {
            buf [--charPos] = sign;
        }
    }

    // 个位上的数字数组
    final static char [] DigitTens = {
        ‘0‘, ‘0‘, ‘0‘, ‘0‘, ‘0‘, ‘0‘, ‘0‘, ‘0‘, ‘0‘, ‘0‘,
        ‘1‘, ‘1‘, ‘1‘, ‘1‘, ‘1‘, ‘1‘, ‘1‘, ‘1‘, ‘1‘, ‘1‘,
        ‘2‘, ‘2‘, ‘2‘, ‘2‘, ‘2‘, ‘2‘, ‘2‘, ‘2‘, ‘2‘, ‘2‘,
        ‘3‘, ‘3‘, ‘3‘, ‘3‘, ‘3‘, ‘3‘, ‘3‘, ‘3‘, ‘3‘, ‘3‘,
        ‘4‘, ‘4‘, ‘4‘, ‘4‘, ‘4‘, ‘4‘, ‘4‘, ‘4‘, ‘4‘, ‘4‘,
        ‘5‘, ‘5‘, ‘5‘, ‘5‘, ‘5‘, ‘5‘, ‘5‘, ‘5‘, ‘5‘, ‘5‘,
        ‘6‘, ‘6‘, ‘6‘, ‘6‘, ‘6‘, ‘6‘, ‘6‘, ‘6‘, ‘6‘, ‘6‘,
        ‘7‘, ‘7‘, ‘7‘, ‘7‘, ‘7‘, ‘7‘, ‘7‘, ‘7‘, ‘7‘, ‘7‘,
        ‘8‘, ‘8‘, ‘8‘, ‘8‘, ‘8‘, ‘8‘, ‘8‘, ‘8‘, ‘8‘, ‘8‘,
        ‘9‘, ‘9‘, ‘9‘, ‘9‘, ‘9‘, ‘9‘, ‘9‘, ‘9‘, ‘9‘, ‘9‘,
        } ;

    // 十位上的数字数组
    final static char [] DigitOnes = {
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        ‘0‘, ‘1‘, ‘2‘, ‘3‘, ‘4‘, ‘5‘, ‘6‘, ‘7‘, ‘8‘, ‘9‘,
        } ;

getChars()分别对int型的高位的两个字节、低位的两个字节进行遍历。while部分的思想是，DigitOnes是代表个位，DigitTens代表十位，每次r可以迭代两位（r就是除以100的余数），每次找出两位数，这样有效的减少了乘除法的次数。至于移位运算，是为了提高运算速度，q*100 = q*(2^6) +q*(2^5) + q*(2^2) = 64q+32q+4q.

for循环部分，q得到i截断个位的值(q = i / 10 )。至于采用上述复杂的移位的目的是提高速度(>>>无符号右移)。q=i*(52429/216)/23≈≈i*0.1。因为这里要用i*52429>>>16更精确的表示乘以十分之八的作用，而高位的两个字节的数再乘会溢出，所以源码里进行了高位与低位用两种方式分开循环。

parseInt()

将String转为Int，相关的编程题参加剑指offer（56）：表示数值的字符串

    public static int parseInt(String s) throws NumberFormatException {
        return parseInt(s,10);
    }

    public static int parseInt(String s, int radix)
                throws NumberFormatException
    {
        /*
         * WARNING: This method may be invoked early during VM initialization
         * before IntegerCache is initialized. Care must be taken to not use
         * the valueOf method.
         */

        if (s == null) {
            throw new NumberFormatException("null");
        }

        if (radix < Character.MIN_RADIX) {
            throw new NumberFormatException("radix " + radix +
                                            " less than Character.MIN_RADIX");
        }

        if (radix > Character.MAX_RADIX) {
            throw new NumberFormatException("radix " + radix +
                                            " greater than Character.MAX_RADIX");
        }

        int result = 0;
        boolean negative = false;
        int i = 0, len = s.length();
        int limit = -Integer.MAX_VALUE;
        int multmin;
        int digit;

        if (len > 0) {
            char firstChar = s.charAt(0);
            if (firstChar < ‘0‘) { // Possible leading "+" or "-"
                if (firstChar == ‘-‘) {
                    negative = true;
                    limit = Integer.MIN_VALUE;
                } else if (firstChar != ‘+‘)
                    throw NumberFormatException.forInputString(s);

                if (len == 1) // Cannot have lone "+" or "-"
                    throw NumberFormatException.forInputString(s);
                i++;
            }
            multmin = limit / radix;
            while (i < len) {
                // Accumulating negatively avoids surprises near MAX_VALUE
                digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix);
                if (digit < 0) {
                    throw NumberFormatException.forInputString(s);
                }
                if (result < multmin) {
                    throw NumberFormatException.forInputString(s);
                }
                result *= radix;
                if (result < limit + digit) {
                    throw NumberFormatException.forInputString(s);
                }
                result -= digit;
            }
        } else {
            throw NumberFormatException.forInputString(s);
        }
        return negative ? result : -result;
    }

源码中注意的几点：

• 所有的运算都是基于负数的。在toString也提到过，因为将Integer.MIN_VALUE直接变换符号会导致数值溢出。
• 溢出的判断技巧。multmin = limit / radix 这个数的控制，可以在乘法计算之前可判断计算之后是否溢出。同理，result < limit + digit 可在减法之前判断计算后是否溢出。

转载自： https://blog.csdn.net/u011080472/article/details/51406198