源码|jdk源码之Object及装箱类型分析

jdk源码读到现在这里，重要的集合类也读了一部分了。
集合类再往下读的话，就要涉及到两个方向。
第一，是比较典型的但是不常用的数据结构，这部分我准备将数据结构复习、回顾后再继续阅读。
第二，是并发相关的集合，这部分我准备留到和并发相关的类一起阅读。

所以，今天就读些轻松的。

1. Object

1.1. 作为单根继承的Object

java的对象系统设计是采用单根继承，所有的对象往上追溯，Object都是它们共同的祖先。

有了这个假设，我忽然想起java中一个有趣的事实：

List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.toString();

这段代码能正常编译、运行吗？经验告诉我，当然可以。
可是从类型系统的角度仔细思考，list引用的类型为List<Integer>，其为List接口。
然而，List接口中并没有toString方法，为什么能调用？

这是由于，在java中，会让接口类型也拥有Object的所有方法。一个接口对象，也是一个Object对象。因为单根继承这一总体设计，所以这样设计接口是合理的。
这里有关于该问题的有趣讨论，所以这里就不详细展开了。

1.2. 作为锁的Object

在java中，除了最基本的单根继承的祖先类之外，Object还内置了很多机制。如：

Object o = new Object();
synchronized(o) {
    /* ... */
}

在其它语言中，锁这一机制都是标准库中提供的函数，成对使用。一个lock函数用于获取锁，一个release函数函数用于释放锁。

然而，java直接将锁机制作为语法的一部分，还给它一个专属关键字synchronized。每个Object对象，都内嵌了一个锁。java称之监视器锁。

这样设计有什么好处呢？一种观点是，将锁机制内置为语法的一部分，有利于jvm对其进行深度优化提升性能，如java的锁升级机制。

1.3. 作为条件变量的Object

java的Object不仅可以认为内嵌了一把锁，还内嵌了一个条件变量。操作条件变量的函数：

public final native void notify();
public final native void notifyAll();
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

wait将当前线程在条件变量上阻塞，一般是为了等待其他线程的某件事情执行完成。当其他线程的事情执行完成后，在条件变量上调用notify或notifyAll来唤醒阻塞的线程。

可以看到，这三个方法都是native，jvm原生实现。

wait还有两个重载形式：

public final void wait() throws InterruptedException {
    wait(0);
}

public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
    if (timeout < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
        throw new IllegalArgumentException(
                            "nanosecond timeout value out of range");
    }

    if (nanos > 0) {
        timeout++;
    }

    wait(timeout);
}

比较有意思的是第二个。
原生实现的wait(long timeout)，只能设置毫秒级别的超时时间。但是这个wait(long timeout, int nanos)却能设置纳秒级别的超时时间。怎么实现的？

if (nanos > 0) {
    timeout++;
}

笑哭了。。。。难道是我下载的jdk平台不对？

1.4. hashCode、equals、toString

Object类提供了这三个函数的默认实现。来看一下：

public native int hashCode();

public String toString() {
    return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}

public boolean equals(Object obj) {
    return (this == obj);
}

可以看到，hashCode的默认方法是原生实现，到底是不是指针不清楚。

equals方法的默认实现仅仅简单比较了是否为同一引用。

toString()方法打印出的是类名及十六进制的hash值。

2. 装箱拆箱

装箱拆箱机制的存在的原因是：

1. java中的泛型是类型擦除，类似集合等泛型类中实际存放的必须是Object的子类，也即引用类型。
2. java的8种基本类型都是值类型，不是对象。因此无法直接放入泛型类对象中。

为了解决这个冲突，只好设计一组对象，中间包裹基本类型，并且语法层次内建装箱类与基本类型的自动转换机制，也即自动装箱拆箱。

下面以Integer为例分析装箱拆箱类的源码。

2.1. Integer

大致看一下Integer中的组成。可以发现有三个不同的部分：

1. Integer类本身作为装箱容器。
2. Integer类的static属性定义了大量和int有关的常量。
3. Integer类的static方法定义了和int有关的工具函数。

2.1.1. 属性和构造函数

先来看属性。

private final int value;

public Integer(int value) {
    this.value = value;
}

对的，Integer对象中，只有包含这么一个数据，被装箱的原始值。
简单到不能再简单。

2.1.2. 工厂方法和缓存

我们知道，一般来说，在java中，使用工厂方法代替构造函数是更好的设计。在Integer里，就体现了它的好处之一。

Integer提供了一组静态工厂方法：

public static Integer valueOf(String s) throws NumberFormatException {
    return Integer.valueOf(parseInt(s, 10));
}

public static Integer valueOf(String s, int radix) throws NumberFormatException {
    return Integer.valueOf(parseInt(s,radix));
}

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

前两个工厂方法都利用最后一个工厂方法实现。最重要的是最后一个。

非常明显，当被装箱的原始类型i在IntegerCache.low和IntegerCache.high之间时，则返回缓存的Integer对象。

来看IntegerCache:

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() {}
}

可发现：

1. 默认缓存的值是-128到127。
2. 缓存的范围可以通过java.lang.Integer.IntegerCache.high来设置。这样，如果在某些场景下Integer影响性能，可以通过jvm手动修改该参数空间换时间。

总结一下，由于Integer是对象，而对整数的操作是代码里非常频繁的地方。装箱机制会导致程序产生大量的Integer对象，这导致：

1. 对象会占据额外空间（如对象头），造成内存浪费。
2. 频繁创建销毁对象，给gc造成压力。

因此，采用缓存机制，尽量降低装箱对性能的影响。

2.2. 其它装箱类

其它装箱类的代码这里就不分析了。重点关注下各装箱类的缓存范围。
首先，Boolean，只有两个值，当然可以都缓存。

浮点类型，Double和Float，没有缓存：

public static Float valueOf(float f) {
    return new Float(f);
}

public static Double valueOf(double d) {
    return new Double(d);
}

Short，缓存范围为-128到127，和默认的Integer一样。最重要的是，这个范围无法修改。

public static Short valueOf(short s) {
    final int offset = 128;
    int sAsInt = s;
    if (sAsInt >= -128 && sAsInt <= 127) { // must cache
        return ShortCache.cache[sAsInt + offset];
    }
    return new Short(s);
}

private static class ShortCache {
    private ShortCache(){}

    static final Short cache[] = new Short[-(-128) + 127 + 1];

    static {
        for(int i = 0; i < cache.length; i++)
            cache[i] = new Short((short)(i - 128));
    }
}

同样：

1. Byte缓存范围也是-128到127，全部缓存。
2. 而Character缓存范围为0到127.
3. Long的缓存范围为-128到127。

可以发现，只有Integer的缓存范围能够修改，其它的装箱类型都不行。