Integer缓存到底有啥问题？
作者| 慕课网精英讲师明明如月
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我们先看下面的示例代码，并思考该段代码的输出结果：
public class IntTest {
public static void main(String[] args) {
Integer a = 100, b = 100, c = 150, d = 150;
System.out.println(a == b);
System.out.println(c == d);
}
}
通过运行代码可以得到答案，程序输出的结果分别为： true , false。
那么为什么答案是这样？
很多人可能会颇有自信地回答：因为缓存了 -128 到 127 之间的数值，就没有然后了。
那么为什么会缓存这一段区间的数值？缓存的区间可以修改吗？其它的包装类型有没有类似缓存？
what? 咋还有这么多问题？这谁知道啊！
莫急，且看下面的分析。
2.1 源码分析法
首先我们可以通过源码对该问题进行分析。
我们知道，Integer var = ? 形式声明变量，会通过 java.lang.Integer#valueOf(int) 来构造 Integer 对象。
很多人可能会说：“你咋能知道这个呢”？
如果不信大家可以打断点，运行程序后会调到这里，总该信了吧？（后面还会再作解释）。
我们先看该函数源码：
/**
* Returns an {@code Integer} instance representing the specified
* {@code int} value. If a new {@code Integer} instance is not
* required, this method should generally be used in preference to
* the constructor {@link #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 {@code int} value.
* @return an {@code Integer} instance representing {@code i}.
* @since 1.5
*/
public static Integer valueOf(int i) {
if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
return new Integer(i);
}
通过源码可以看出，如果用 Ineger.valueOf(int) 来创建整数对象，参数大于等于整数缓存的最小值（ IntegerCache.low ）并小于等于整数缓存的最大值（ IntegerCache.high）, 会直接从缓存数组 (
java.lang.Integer.IntegerCache#cache) 中提取整数对象；否则会 new 一个整数对象。
那么这里的缓存最大和最小值分别是多少呢？
从上述注释中我们可以看出，最小值是 -128, 最大值是 127。
那么为什么会缓存这一段区间的整数对象呢？
通过注释我们可以得知：如果不要求必须新建一个整型对象，缓存最常用的值（提前构造缓存范围内的整型对象），会更省空间，速度也更快。
这给我们一个非常重要的启发：
如果想减少内存占用，提高程序运行的效率，可以将常用的对象提前缓存起来，需要时直接从缓存中提取。
那么我们再思考下一个问题： Integer 缓存的区间可以修改吗？
通过上述源码和注释我们还无法回答这个问题，接下来，我们继续看
java.lang.Integer.IntegerCache 的源码：
/**
* 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 {@code -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");
// 省略其它代码
}
// 省略其它代码
}
通过 IntegerCache 代码和注释我们可以看到，最小值是固定值 -128， 最大值并不是固定值，缓存的最大值是可以通过虚拟机参数 -XX:AutoBoxCacheMax=
-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=
因此可以通过修改这两个参数其中之一，让缓存的最大值大于等于 150。
如果作出这种修改，示例的输出结果便会是： true,true。
学到这里是不是发现，对此问题的理解和最初的想法有些不同呢？
这段注释也解答了为什么要缓存这个范围的数据：
是为了自动装箱时可以复用这些对象 ，这也是 JLS2 的要求。
我们可以参考 JLS 的 Boxing Conversion 部分的相关描述。
If the valuepbeing boxed is an integer literal of type intbetween -128and 127inclusive (§3.10.1), or the boolean literal trueorfalse(§3.10.3), or a character literal between '\u0000'and '\u007f'inclusive (§3.10.4), then let aand bbe the results of any two boxing conversions of p. It is always the case that a==b.
在 -128 到 127 （含）之间的 int 类型的值，或者 boolean 类型的 true 或 false， 以及范围在’\u0000’和’\u007f’ （含）之间的 char 类型的数值 p， 自动包装成 a 和 b 两个对象时， 可以使用 a == b 判断 a 和 b 的值是否相等。
2.2 反汇编法
那么究竟 Integer var = ? 形式声明变量，是不是通过 java.lang.Integer#valueOf(int) 来构造 Integer 对象呢？ 总不能都是猜测 N 个可能的函数，然后断点调试吧？
如果遇到其它类似的问题，没人告诉我底层调用了哪个方法，该怎么办？ 囧…
这类问题有个杀手锏，可以通过对编译后的 class 文件进行反汇编来查看。
首先编译源代码：javac IntTest.java
然后需要对代码进行反汇编，执行：javap -c IntTest
如果想了解 javap 的用法，直接输入 javap -help 查看用法提示（很多命令行工具都支持 -help 或 --help 给出用法提示）。
反编译后，我们得到以下代码：
Compiled from "IntTest.java"
public class com.chujianyun.common.int_test.IntTest {
public com.chujianyun.common.int_test.IntTest();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: bipush 100
2: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
5: astore_1
6: bipush 100
8: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
11: astore_2
12: sipush 150
15: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
18: astore_3
19: sipush 150
22: invokestatic #2 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
25: astore 4
27: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
30: aload_1
31: aload_2
32: if_acmpne 39
35: iconst_1
36: goto 40
39: iconst_0
40: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
43: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
46: aload_3
47: aload 4
49: if_acmpne 56
52: iconst_1
53: goto 57
56: iconst_0
57: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
60: return
}
可以明确得 "看到" 这四个 ``Integer var = ? 形式声明的变量的确是通过 java.lang.Integer#valueOf(int) 来构造 Integer` 对象的。
接下来对汇编后的代码进行详细分析，如果看不懂可略过：
根据《Java Virtual Machine Specification : Java SE 8 Edition》3，后缩写为 JVMS , 第 6 章 虚拟机指令集的相关描述以及《深入理解 Java 虚拟机》4 414-149 页的 附录 B “虚拟机字节码指令表”。 我们对上述指令进行解读：
偏移为 0 的指令为：bipush 100 ，其含义是将单字节整型常量 100 推入操作数栈的栈顶；
偏移为 2 的指令为：invokestatic #2 // Method
java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer; 表示调用一个 static 函数，即 java.lang.Integer#valueOf(int)；
偏移为 5 的指令为：astore_1 ，其含义是从操作数栈中弹出对象引用，然后将其存到第 1 个局部变量 Slot 中；
偏移 6 到 25 的指令和上面类似；
偏移为 30 的指令为 aload_1 ，其含义是从第 1 个局部变量 Slot 取出对象引用（即 a），并将其压入栈；
偏移为 31 的指令为 aload_2 ，其含义是从第 2 个局部变量 Slot 取出对象引用（即 b），并将其压入栈；
偏移为 32 的指令为 if_acmpn，该指令为条件跳转指令，if_ 后以 a 开头表示对象的引用比较。
由于该指令有以下特性：
if_acmpeq 比较栈两个引用类型数值，相等则跳转if_acmpne 比较栈两个引用类型数值，不相等则跳转
由于 Integer 的缓存问题，所以 a 和 b 引用指向同一个地址，因此此条件不成立（成立则跳转到偏移为 39 的指令处），执行偏移为 35 的指令。
偏移为 35 的指令: iconst_1，其含义为将常量 1 压栈（ Java 虚拟机中 boolean 类型的运算类型为 int ，其中 true 用 1 表示，详见 2.11.1 数据类型和 Java 虚拟机。
然后执行偏移为 36 的 goto 指令，跳转到偏移为 40 的指令。
偏移为 40 的指令：invokevirtual #4 // Method
java/io/PrintStream.println:(Z)V。
可知参数描述符为 Z ，返回值描述符为 V。
根据 4.3.2 字段描述符 ，可知 FieldType 的字符为 Z 表示 boolean 类型， 值为 true 或 false。
根据 4.3.3 字段描述符 ，可知返回值为 void。
因此可以知，最终调用了 java.io.PrintStream#println(boolean) 函数打印栈顶常量即 true。
然后比较执行偏移 43 到 57 之间的指令，比较 c 和 d， 打印 false 。
执行偏移为 60 的指令，即 retrun ，程序结束。
可能有些朋友会对反汇编的代码有些抵触和恐惧，这都是非常正常的现象。
我们分析和研究问题的时候，看懂核心逻辑即可，不要纠结于细节，而失去了重点。
一回生两回熟，随着遇到的例子越来越多，遇到类似的问题时，会喜欢上 javap 来分析和解决问题。
如果大家不喜欢命令行的方式进行 Java 的反汇编，这里推荐一个简单易用的可视化工具：classpy ，大家可以自行了解学习。
3.Long 的缓存问题分析
我们学习的目的之一就是要学会举一反三。因此我们对 Long 也进行类似的研究，探究两者之间有何异同。
3.1 源码分析
类似的，我们接下来分析 java.lang.Long#valueOf(long) 的源码：
/**
* Returns a {@code Long} instance representing the specified
* {@code long} value.
* If a new {@code Long} instance is not required, this method
* should generally be used in preference to the constructor
* {@link #Long(long)}, as this method is likely to yield
* significantly better space and time performance by caching
* frequently requested values.
*
* Note that unlike the {@linkplain Integer#valueOf(int)
* corresponding method} in the {@code Integer} class, this method
* is not required to cache values within a particular
* range.
*
* @param l a long value.
* @return a {@code Long} instance representing {@code l}.
* @since 1.5
*/
public static Long valueOf(long l) {
final int offset = 128;
if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
return LongCache.cache[(int)l + offset];
}
return new Long(l);
}
发现该函数的写法和 Ineger.valueOf(int) 非常相似。
我们同样也看到， Long 也用到了缓存。 使用 java.lang.Long#valueOf(long) 构造 Long 对象时，值在 [-128, 127] 之间的 Long 对象直接从缓存对象数组中提取。
而且注释同样也提到了：缓存的目的是为了提高性能。
但是通过注释我们发现这么一段提示：
Note that unlike the {@linkplain Integer#valueOf(int) corresponding method} in the {@code Integer} class, this method is not required to cache values within a particular range.
注意：和 Ineger.valueOf(int) 不同的是，此方法并没有被要求缓存特定范围的值。
这也正是上面源码中缓存范围判断的注释为何用 // will cache 的原因（可以对比一下上面 Integer 的缓存的注释）。
因此我们可知，虽然此处采用了缓存，但应该不是 JLS 的要求。
那么 Long 类型的缓存是如何构造的呢？
我们查看缓存数组的构造：
private static class LongCache {
private LongCache(){}
static final Long cache[] = new Long[-(-128) + 127 + 1];
static {
for(int i = 0; i < cache.length; i++)
cache[i] = new Long(i - 128);
}
}
可以看到，它是在静态代码块中填充缓存数组的。
3.2 反编译
同样地我们也编写一个示例片段：
public class LongTest {
public static void main(String[] args) {
Long a = -128L, b = -128L, c = 150L, d = 150L;
System.out.println(a == b);
System.out.println(c == d);
}
}
编译源代码： javac LongTest.java
对编译后的类文件进行反汇编: javap -c LongTest
得到下面反编译的代码：
public class com.imooc.basic.learn_int.LongTest {
public com.imooc.basic.learn_int.LongTest();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: ldc2_w #2 // long -128l
3: invokestatic #4 // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
6: astore_1
7: ldc2_w #2 // long -128l
10: invokestatic #4 // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
13: astore_2
14: ldc2_w #5 // long 150l
17: invokestatic #4 // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
20: astore_3
21: ldc2_w #5 // long 150l
24: invokestatic #4 // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
27: astore 4
29: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
32: aload_1
33: aload_2
34: if_acmpne 41
37: iconst_1
38: goto 42
41: iconst_0
42: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
45: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
48: aload_3
49: aload 4
51: if_acmpne 58
54: iconst_1
55: goto 59
58: iconst_0
59: invokevirtual #8 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
62: return
}
我们从上述代码中发现 Long var = ? 的确是通过 java.lang.Long#valueOf(long) 来构造对象的。
3. 总结
本篇文章通过源码分析法、阅读 JLS 和 JVMS、使用反汇编法，对 Integer 和 Long 缓存的目的和实现方式问题进行了深入分析。
让大家能够通过更丰富的手段来学习知识和分析问题，通过对缓存目的的思考来学到更通用和本质的东西。
本篇文章使用的几种手段将是我们未来常用的方法，也是工作进阶的必备技能和一个程序员专业程度的体现，希望大家未来能够多动手实践。
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