Java 为什么需要包装类

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发布于: 2020 年 05 月 10 日

在 Java 的世界中，对象是一等公民，但 Java 也还是做出了妥协，出于对性能的考虑而保留了 8 种基础数据类型。
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本文基于 JDK1.8
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但是在某些场景下，无法直接使用基本数据类型，所以还是需要使用对象，Java 的包装类就是这样出现的。
自动装箱和拆箱﻿
看下面的代码：
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
int i = 1;
list.add(i); // 装箱;
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Java 编译器会自动把基本数据类型转成对象，这个称之为装箱。 到底是怎么做到的呢？看下面的字节码：
// ...
12: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
15: invokevirtual #10                 // Method java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z
// ...
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简单解释一下 invokestatic 和 invokevirtual，这两个都是 JVM 的指令，前者表示调用 Java 的
静态方法，后者表示调用对象方法。
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invokestatic 调用了 Integer.valueOf() 方法，所以装箱实际上就是调用了 Integer.valueOf() 方法。
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拆箱也很简单，看下面的代码：
Integer i = 1;
int i2 = 1; // 拆箱;
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拆箱的字节码如下：
  // ...
  7: invokevirtual #2                  // Method java/lang/Integer.intValue:()I
  // ...
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同理，拆箱实际调用的是 Integer 对象方法 i.intValue()。
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从上文可以看出，Java 中基本类型的装箱和拆箱实际上是编译器提供的语法糖，是在编译器层面进行处理的，编译器会将装箱和拆箱编译成调用方法的字节码。在虚拟机层，通过调用方法来实现包装类的装箱和拆箱。
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Byte，Short，Long，Float，Double，Boolean，Character 与 Integer 类似。
但是需要注意，还有一个特殊的包装类 Void。 Void 是 void 的包装类，Void 不能被继承，也不能被实例化，仅仅就是一个占位符。
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如果一个方法使用 void 修饰，说明方法没有返回值，如果使用 Void 修饰，则该方法只能返回 null。
public Void nullFunc() {
    return null; // 返回其他值会编译不通过
}
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Void 常用于反射中，判断一个方法的返回值是不是 void。
for (Method method : VoidDemo.class.getMethods()) {
    if (method.getReturnType().equals(Void.TYPE)) {
        // ...
    }
}
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包装类的缓存﻿
看下面的代码：
Integer i1 = 200;
Integer i2 = 200;
System.out.println(i2 == i1); // false
Integer i3 = new Integer(100);
Integer i4 = new Integer(100);
System.out.println(i3 == i4); // false
Integer i5 = 100;
Integer i6 = 100;
System.out.println(i5 == i6); // true
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上面的代码应该算是一道经典的面试题了。通过上文可知，装箱操作使用的是 Integer.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);
}
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关键实现在 IntegerCache 中，在某个范围内的数值可以直接使用已经创建好的对象。IntegerCache 是一个静态内部类，而且不能实例化，仅仅用来缓存 Integer 对象：
private static class IntegerCache {
    static final int low = -128; // 缓存对象的最小值，不能配置
    static final int high;
    static final Integer cache[];
    static {
        int h = 127; // 缓存对象的最大值可以配置，但是不能超过 Integer的最大值，不能小于 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);
                h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
            } catch( NumberFormatException nfe) {
            }
        }
        high = h;
        cache = new Integer[(high - low) + 1];
        int j = low;
        for(int k = 0; k < cache.length; k++)
            cache[k] = new Integer(j++);
        assert IntegerCache.high >= 127;
    }
    private IntegerCache() {}
}
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缓存对象的默认大小范围是 -128 ~ 127，正数范围可以根据自己的需要进行调整，负数最小就是 -128，不可以调整。如果不在这个范围内，就会创建新的对象。
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上面代码的结果就很清晰了，第一个结果为 false 是因为 200 超出了默认的缓存范围，因此会创建新的对象。第二个结果为 false 是因为直接使用 new 来创建对象，而没有使用缓存对象。第三个结果为 true 是因为刚好在缓存的范围内。
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所以在使用 Integer 等包装类生成对象时，不要使用 new 去新建对象，而应该尽可能使用缓存的对象，而且比较两个 Integer 对象时不要使用 ==，而应该使用 equals。
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其他的包装类的实现基本类似，只是在对象缓存上的实现有些不同：
Byte 的范围刚好是 -128~127，所以都可以直接从缓存中获取对象。
Short 缓存范围也是 -128 ~ 127，而且不可以调整。
Long 的实现与 Short 一致。
Character 因为没有负数，所以缓存范围是 0 ~ 127，也不可以调整范围。
Boolean 的值只有 true 和 false，在类加载的时候直接创建好。
Float，Double 则没有缓存机制，因为是浮点数，可以表示无穷无尽的数，缓存的意义不大。
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小心空指针﻿
此外还需要注意的一点就是，使用包装类生成的是对象，是对象就有可能出现空指针异常，在代码中需要进行处理。
Integer integer = null;
int i = integer; // NPE
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文 / Rayjun
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