理解Java Integer的缓存策略

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本文将介绍 Java 中 Integer 缓存的相关知识。这是 Java 5 中引入的一个有助于节省内存、提高性能的特性。首先看一个使用 Integer 的示例代码，展示了 Integer 的缓存行为。接着我们将学习这种实现的原因和目的。你可以先猜猜下面 Java 程序的输出结果。很明显，这里有一些小陷阱，这也是我们写这篇文章的原因。

package com.javapapers.java;public class JavaIntegerCache {    public static void main(String... strings) {

        Integer integer1 = 3;
        Integer integer2 = 3;        if (integer1 == integer2)
            System.out.println("integer1 == integer2");        else
            System.out.println("integer1 != integer2");

        Integer integer3 = 300;
        Integer integer4 = 300;        if (integer3 == integer4)
            System.out.println("integer3 == integer4");        else
            System.out.println("integer3 != integer4");

    }
}

大多数人都认为上面的两个判断的结果都是 false。虽然它们的值相等，但由于比较的是对象，而对象的引用不一样，所以会认为两个 if 判断都是 false 的。在 Java 中，== 比较的是对象引用，而 equals 比较的是值。因此，在这个例子中，不同的对象有不同的引用，所以在进行比较的时候都应该返回 false。但是奇怪的是，这里两个相似的 if 条件判断却返回不同的布尔值。

下面是上面代码真正的输出结果，

integer1 == integer2integer3 != integer4

Java 中 Integer 缓存实现

在 Java 5 中，为 Integer 的操作引入了一个新的特性，用来节省内存和提高性能。整型对象在内部实现中通过使用相同的对象引用实现了缓存和重用。

上面的规则适用于整数区间 -128 到 +127。

这种 Integer 缓存策略仅在自动装箱（autoboxing）的时候有用，使用构造器创建的 Integer 对象不能被缓存。

Java 编译器把原始类型自动转换为封装类的过程称为自动装箱（autoboxing），这相当于调用 valueOf 方法

Integer a = 10; //this is autoboxingInteger b = Integer.valueOf(10); //under the hood

现在我们知道了 JDK 源码中对应实现的部分在哪里了。我们来看看 valueOf 的源码。下面是 JDK 1.8.0 build 25 中的代码。

 /**
     * Returns an {<a href="http://www.jobbole.com/members/java12">@code</a> Integer} instance representing the specified
     * {<a href="http://www.jobbole.com/members/java12">@code</a> int} value.  If a new {<a href="http://www.jobbole.com/members/java12">@code</a> Integer} instance is not
     * required, this method should generally be used in preference to
     * the constructor {<a href="http://www.jobbole.com/members/57845349">@link</a> #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 {<a href="http://www.jobbole.com/members/java12">@code</a> int} value.
     * @return an {<a href="http://www.jobbole.com/members/java12">@code</a> Integer} instance representing {<a href="http://www.jobbole.com/members/java12">@code</a> i}.
     * <a href="http://www.jobbole.com/members/chchxinxinjun">@since</a>  1.5
     */
    public static Integer valueOf(int i) {        if (i &amp;gt;= IntegerCache.low &amp;amp;&amp;amp; i &amp;lt;= IntegerCache.high)            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];        return new Integer(i);
    }

在创建新的 Integer 对象之前会先在 IntegerCache.cache 中查找。有一个专门的 Java 类来负责 Integer 的缓存。

IntegerCache 类

IntegerCache 是 Integer 类中一个私有的静态类。我们来看看这个类，有比较详细的文档，可以提供我们很多信息。

/**
     * 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 {<a href="http://www.jobbole.com/members/java12">@code</a> -XX:AutoBoxCacheMax=} 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 &amp;lt; cache.length; k++)
                cache[k] = new Integer(j++);            // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
            assert IntegerCache.high &amp;gt;= 127;
        }        private IntegerCache() {}
    }

Javadoc 详细的说明这个类是用来实现缓存支持，并支持 -128 到 127 之间的自动装箱过程。最大值 127 可以通过 JVM 的启动参数 -XX:AutoBoxCacheMax=size 修改。 缓存通过一个 for 循环实现。从小到大的创建尽可能多的整数并存储在一个名为 cache 的整数数组中。这个缓存会在 Integer 类第一次被使用的时候被初始化出来。以后，就可以使用缓存中包含的实例对象，而不是创建一个新的实例(在自动装箱的情况下)。

实际上在 Java 5 中引入这个特性的时候，范围是固定的 -128 至 +127。后来在 Java 6 中，最大值映射到 java.lang.Integer.IntegerCache.high，可以使用 JVM 的启动参数设置最大值。这使我们可以根据应用程序的实际情况灵活地调整来提高性能。是什么原因选择这个 -128 到 127 这个范围呢？因为这个范围的整数值是使用最广泛的。 在程序中第一次使用 Integer 的时候也需要一定的额外时间来初始化这个缓存。

Java 语言规范中的缓存行为

在 Boxing Conversion 部分的Java语言规范(JLS)规定如下：

如果一个变量 p 的值属于：-128至127之间的整数(§3.10.1)，true 和 false的布尔值 (§3.10.3)，’u0000′ 至 ‘u007f’ 之间的字符(§3.10.4)中时，将 p 包装成 a 和 b 两个对象时，可以直接使用 a == b 判断 a 和 b 的值是否相等。

其他缓存的对象

这种缓存行为不仅适用于Integer对象。我们针对所有整数类型的类都有类似的缓存机制。

有 ByteCache 用于缓存 Byte 对象

有 ShortCache 用于缓存 Short 对象

有 LongCache 用于缓存 Long 对象

有 CharacterCache 用于缓存 Character 对象

Byte，Short，Long 有固定范围: -128 到 127。对于 Character, 范围是 0 到 127。除了 Integer 可以通过参数改变范围外，其它的都不行。