从一道面试题探究 Integer 的实现
记得有次面试,面试官问我:
如何写一个方法交换两个 Integer 类型的值?
当时心里一惊,这是把我当小白了呀!交换两个数的值还不容易么,最简单的直接搞一个中间变量,然后就可以交换了… …
面试官随即拿出一张雪白雪白的 A4 纸
工具用多了,有没有体验过白纸写代码?来吧,开始你的表演,小伙子。
此时稍微有点心虚,但还是要装腔作势,把自己想象成大佬才行。
有的人可能会问,你不是说很简单么,还心虚个啥?写过代码的都知道,工具写代码是有自动补全提示的,这白板写代码纯粹就是考察你对代码的熟练度,其实相当考验代码功底。
于是乎,提起笔,奋笔疾书,唰唰唰不到两分钟,我就写完了。
代码如下:
public static void main(String[] args) {
Integer a = 1, b = 2;
System.out.println("交换前:a = " + a + ", b = " + b);
swap(a,b);
System.out.println("交换后:a = " + a + ", b = " + b);
}
public static void swap(Integer i, Integer j) {
int temp = i;
i = j;
j = temp;
}
当我胸有成竹的把纸递过去的时候,我仿佛看见面试官嘴角哪不经意间的微笑。
这一笑不要紧,要紧的是一个大男人对着我笑干嘛?
难道我的代码感动到他了?
明人不说暗话,这明显不可能。
难道是他要对我… …
想到此处,我不禁赶紧回忆了下来时的路,怎么样可以快速冲出去… …
喂,醒醒,想啥呢
面试官瞄了一眼代码之后开始发问呢。
你确定你这段代码真的可以交换两个 Integer 的值吗?(竟然在 Integer 上加了重音)
我的天呐,难道有问题,多年面试经验告诉我,面试重音提问要不就是在故意混淆,要不就是在善意提醒你,看能不能挖掘出点其他技术深度出来。
所以根据面试官的意思肯定是使用这段代码不能交换呢,哪么不能交换的原因在哪里?
首先,想了下,要交换两个变量的值,利用中间变量这个思路是不会错的。既然思路没错,哪就要往具体实现上想,问题出在哪里。
第一个知识点:值传递和引用传递
我们都知道,Java 中有两种参数传递
值传递
方法调用时,实际参数把它的值传递给对应的形式参数,方法执行中形式参数值的改变不影响实际参数的值。
引用传递
也称为传地址。方法调用时,实际参数的引用(地址,而不是参数的值)被传递给方法中相对应的形式参数,在方法执行中,对形式参数的操作实际上就是对实际参数的操作,方法执行中形式参数值的改变将会影响实际参数的值。
简单总结一下就是:
也就是说 对象类型(地址空间)的变量存在于堆中,其引用存在于栈中。
至于为什么这么设计:主要还是为了考虑访问效率和提升代码性能上考虑的。
难道问题出在这个地方?
可是 Integer 不就是 引用类型?
为什么不能改变呢?
难道 Integer 的实现有什么特殊之处?
你别说,还真是 Integer 有他自己的独特之处。
第二个知识点:Integer 在源码实现上存在这么一个属性
/**
* The value of the {@code Integer}.
*
* @serial
*/
private final int value;
这个属性也是表示这个 Integer 实际的值,但是他是 private final 的,Integer 的 API 也没有提供给外部任何可以修改它的值接口,也就是说这个值改变不了。
简单理解就是上面的 swap 方法其实真实交换的是 两个形参 i 和 j 的值,而没有去改变 a 和 b 的值
画个图简单理解一下:
哪如何去改变这个 value 值呢 ?
第三个知识点来了:反射
赶紧给面试官陪着笑脸说刚才激动了,代码我能不能再改改?
面试官:可以,代码本来就是一个不断优化的过程,你改吧!
然后又是一顿奋笔疾书,再次唰唰唰写了如下代码:
public static void swap(Integer i, Integer j) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
/*int temp = i;
i = j;
j = temp;*/
Field value = Integer.class.getDeclaredField("value");
int temp = i.intValue();
value.set(i,j.intValue());
value.set(j,temp);
}
这次长脑子呢,我又回过头检查了一遍代码,没办法,很蛋疼,这要是有电脑先跑一遍再说。
白纸只能靠你自己脑子想,脑子编译,脑子运行(当然运行不好可能就烧坏了)
果然,查出问题来了(还好够机智)
前边不是说了这个 value 是私有属性么,既然是 private 的 ,final 的,在 Java 中是不允许的,再访问的时候会报
java.lang.IllegalAccessException
异常,
在反射的时候还需要加value.setAccessible(true)
,设置代码执行时绕过对私有属性的检查,哪么代码就变成了如下:
public static void swap(Integer i, Integer j) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
/*int temp = i;
i = j;
j = temp;*/
Field value = Integer.class.getDeclaredField("value");
value.setAccessible(true);
int temp = i.intValue();
value.set(i,j.intValue());
value.set(j,temp);
}
另外多提几句:设置了 setAccessible(true)
就能访问到私有属性是因为他的源码是这样的
public void setAccessible(boolean flag) throws SecurityException {
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) sm.checkPermission(ACCESS_PERMISSION);
setAccessible0(this, flag);
}
可以看到,他调用了 setAccessible0()
这个方法,继续看下这个:
private static void setAccessible0(AccessibleObject obj, boolean flag)
throws SecurityException
{
if (obj instanceof Constructor && flag == true) {
Constructor<?> c = (Constructor<?>)obj;
if (c.getDeclaringClass() == Class.class) {
throw new SecurityException("Cannot make a java.lang.Class" +
" constructor accessible");
}
}
obj.override = flag;
}
这段代码我们需要关注有两点:
- 参数是
boolean flag
而这个 flag 实际的值恰好是我们设置进去的setAccessible()
中的参数 - 这个参数真正的作用是把一个
AccessibleObject
对象的override
属性进行了赋值
哪么这个 override
属性的作用又是什么呢?
我们一起来看下value.set()
这个方法的源码
@CallerSensitive
public void set(Object obj, Object value)
throws IllegalArgumentException, IllegalAccessException
{
if (!override) {
if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);
}
}
getFieldAccessor(obj).set(obj, value);
}
看着这段代码是不瞬间就明白了,原来这个 overried
属性就好比一个开关,负责控制在 set
值得时候是否需要检查访问权限(很多时候,一直说要阅读源码阅读源码,因为源码就好比火眼金睛,在源码面前,很多妖魔鬼怪都是无所遁形的)
看着这段代码乐开了花,心里想着这下应该总能交换了吧,我又非常自信的把代码递给了面试官
面试官:为什么要这么改?为什么要使用反射?为什么要加这行 setAccessible(true) ?
哇 此时正和我意啊,写了这半天,就等你问我这几个点,于是我很利索的把上边描述的给面试官讲了一遍,他听完之后继续微微一笑,这个笑很迷,也很渗人。
难道这还不对?
他又开始发问:
面试官:这段代码还是会有问题,最终输出结果会是 a = 2, b = 2。可以提示你一下,你知道拆箱装箱吗?
呃,这还涉及到拆箱装箱了… …
第四个知识点:拆箱装箱
我们在上面的代码中
Integer a = 1, b = 2;
a 和 b 是 Integer 类型,但是 1 和 2 是 int 类型,为什么把 int 赋值给 Integer 不报错?
因为 Java 中有自动装箱(如果感兴趣的话可以使用 javap 命令去查看一下这行代码执行的字节码)
实际上 Integer a = 1 就相当于执行了 Integer a = Integer.valueOf(1);
哪么,valueOf()
方法的实现又是什么样的呢?
public static Integer valueOf(int i) {
if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
return new Integer(i);
}
这个方法的代码说明,如果你的值是在某个范围之内,会从 IntegerCache
这个缓存中获取值,而不是去 new 一个新的 Integer
对象。继续研究 IntegerCache
这个类
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;
}
根据以上代码可以得到:在范围在 -128 - 127 之间的数字,会被直接初始化好之后直接加入得到缓存中,之后处于这个范围中的所有Integer 会直接从缓存获取值,这样提高了访问效率
为了验证这一点,你可以直接试一试,写一段代码:
Integer a = 100,b = 100;
System.out.println(a == b);
根据我们在 Java 领域的理解,对于引用类型,使用 == 比较的是他们在内存中的地址,哪么,对于Integer这个引用类型,直接使用 == 结果应该是false
。
可是,你如果实际调试试一试的话,会发现这是 true
, 是不是有点不可思议?
哪么为什么是ture
,就回到了上边说的缓存问题,因为 100 处于 -128-127 这份范围
如果你定义的变量是
Integer a = 200,b = 200;
System.out.println(a == b);
这个结果输出肯定是 false
,因为根据前边Integer。valueOf()
实现的源码可以得到:超过-128-127的值需要重新 new Integer(i)
,但凡是 new
出来的,使用 ==
比肯定是 false
继续深究下去你会发现面试官说的 a = 2, b = 2 是对的,具体原因是:
public static void swap(Integer i, Integer j) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
Field value = Integer.class.getDeclaredField("value");
value.setAccessible(true);
int temp = i.intValue();
// 此处 我们使用 j.intValue 返回结果是个 int 类型数据
// 而 value.set()方法需要的是一个 Object 对象 此处就涉及到了装箱
// 所以 i 值的实际变化过程为:i = Integer.valueOf(j.intValue()).intValue()
value.set(i,j.intValue());
// 同理 j 值得实际变化过程为:j = Integer.valueOf(temp).intValue()
// 因为 valueOf() 要从缓存获取值 也就是此时需要根据 temp 的下标来获取值
// 可是在上一步中 i 的值已经被自动装箱之后变成了 2
// 所以此处会把 j 的值设置成 2
value.set(j,temp);
}
综上:我们就搞清楚了为什么面试官会说结果是 a = 2, b = 2 .
既然分析出了为什么会变成 a = 2 b = 2,哪就好办呢。
发现问题,解决问题,永远是程序员最优秀的品质,对了,还要脸皮厚(小声哔哔)
我又厚着脸把代码要过来了(面试官还是一如既往的微笑,一如既往很迷的笑)
第五个知识点:如何避免拆箱和装箱操作
把 set 改为 setInt 避免装箱操作
public static void swap(Integer i, Integer j) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
Field value = Integer.class.getDeclaredField("value");
value.setAccessible(true);
int temp = i.intValue();
value.setInt(i,j.intValue());
value.setInt(j,temp);
}
}
把 temp 重新创建一个对象进行赋值,这样就不会和 i 的值产生相互影响
public static void swap(Integer i, Integer j) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
Field value = Integer.class.getDeclaredField("value");
value.setAccessible(true);
int temp = new Integer(i.intValue());
value.setInt(i,j.intValue());
value.setInt(j,temp);
}
靠着脸厚,我第三次把代码交给了面试官,没办法,厚度不是你所能想象的… …
这一次,他终于不再笑了,不再很迷的笑了
看来这场面试要迎来终结了 … …
面试官:嗯,你总算答对了,现在来总结一下这道题涉及到的知识点(这是要考察表达能力啊)
总结:
- 值传递和引用传递
- Integer 实现缓存细节
- 使用反射修改私有属性的值
- 拆箱和装箱
有没有不总结不知道,一总结吓一跳的感觉,这么一道看似简单的题,竟然考察到了这么多东西
面试官:好了,技术问题我们今天就先面到这里,接下来能否说一说你有什么长处?
我:我是一个思想积极乐观向上的人。
面试官:能否举个例子。
我:什么时候开始上班?
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