java基础(八) 深入解析常量池与装拆箱机制
引言
本文将介绍常量池 与 装箱拆箱机制，之所以将两者合在一起介绍，是因为网上不少文章在谈到常量池时，将包装类的缓存机制，java常量池，不加区别地混在一起讨论，更有甚者完全将这两者视为一个整体，给初学者带来不少困扰，我就是过来的。同时，也因为包装类的缓存 与 字符串常量池的思想是一样的，很容易混淆，但是实现方式是不一样的。
一、常量池
在介绍常量池前，先来介绍一下常量、字面常量、符号常量的定义。
常量 可分为 字面常量（也称为直接常量）和 符号常量。
字面常量： 是指在程序中无需预先定义就可使用的数字、字符、boolen值、字符串等。简单的说，就是确定值的本身。如 10，2L，2.3f，3.5，“hello”，'a'，true、false、null 等等。
符号常量： 是指在程序中用标识符预先定义的，其值在程序中不可改变的量。如 final int a = 5;
常量池
常量池引入的 目的 是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。这是一种 享元模式 的实现。
二、 java常量池
Java的常量池可以细分为以下三类：
- class文件常量池（又称静态常量池，编译阶段）
- 运行时常量池（又称动态常量池，运行阶段）
- 字符串常量池（全局的常量池）
1. class文件常量池
class文件常量池，也被称为 静态常量池 ，它是.class文件所包含的一项信息。用于存放编译器生成的各种字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。
字面量： 就是上面所说的字面常量。
符号引用： 是一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可（它与直接引用区分一下，直接引用 一般是指向方法区的本地指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄）。符号引用可以看作是一个虚拟地址，只有在JVM加载完类，确认了字面量的地址，才会将 符号引用 换成 直接引用。一般包括下面三类常量：
- 类和接口的全限定名
- 字段的名称和描述符
- 方法的名称和描述符
想深入了解静态常量池，可以参考下面三篇文章：
2. 运行时常量池
运行时常量池，又称为 动态常量池 ，是JVM在完成加载类之后将class文件中常量池载入到内存中，并保存在方法区中。也就是说，运行时常量池中的常量，基本来源于各个class文件中的常量池。 运行时常量池相对于CLass文件常量池的另外一个重要特征是具备 动态性 ，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入CLass文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。
jvm在执行某个类的时候，必须经过加载、连接、初始化，而连接又包括验证、准备、解析三个阶段。而当类加载到内存中后，jvm就会将class常量池中的内容存放到运行时常量池中，也就是说，每个class对应运行时常量池中的一个独立空间，每个class文件存放的位置互不干扰。而在解析阶段，就会将符号引用替换成对应的直接引用。
不过，String类型 的字面常量要注意：并不是直接在堆上分配空间来创建对象的，JVM为String 字符串额外维护了一个常量池 字符串常量池，所以遇到字符串常量是要先去字符串池中寻找是否有重复，如果有，则返回对应的引用。否则，才创建并添加到字符串常量池中。换句话说，对于String类型的字面常量，必须要在 字符串常量池 中维护一个全局的引用。
3. 字符串常量池（string pool也有叫做string literal pool）
字符串常量池存储的就是字符串的字面常量。详细一点，字符串常量池里的内容是在类加载完成，经过验证，准备阶段之后在堆中生成字符串对象实例，然后将该字符串对象实例的引用值存到string pool中（记住：string pool中存的是引用值而不是具体的实例对象，具体的实例对象是在堆中开辟的一块空间存放的。）。
在HotSpot VM里实现的string pool功能的是一个StringTable类，它是一个哈希表，里面存的是驻留字符串(也就是我们常说的用双引号括起来的)的引用（而不是驻留字符串实例本身），也就是说在堆中的某些字符串实例被这个StringTable引用之后就等同被赋予了”驻留字符串”的身份。这个StringTable在每个HotSpot VM的实例只有一份，被所有的类共享。
运行时常量池 与 字符串常量池 的区别
字符串常量池是位于运行时常量池中的。
网上有不少文章是将字符串常量池作为运行时常量池同等来说，我一开始也以为这两者就是同一个东西，其实不然。运行时常量池 与 字符串常量池 在HotSpot的JDK1.6以前，都是放在方法区的，JDK1.7就将字符串常量池移到了堆外内存中去。运行时常量池 为每一个Class文件的常量池提供一个运行时的内存空间；而字符串常量池则为所有Class文件的String类型的字面常量维护一个公共的常量池，也就是Class文件的常量池加载进运行时常量池后，其String字面常量的引用指向要与字符串常量池的维护的要一致。
我们来几个例子理解一下常量池
@ Example 1 简单的例子
public class Test_6 {
public static void main(String[] args) {
String str = "Hello World!";
}
}
我们使用使用javap -v MyTest.class 查看class文件的字节码，经javap 处理可以输出我们能看懂的信息。如下图：
class文件的索引#16位置（第16个常量池项）存储的是 一个描述了字符串字面常量信息（类型，以及内容索引）的数据结构体，这个结构体被称为CONSTANT_String_info。这个结构体并没有存储字符串的内容，而是存储了一个指向字符串内容的索引--#17，即第17项存储的是Hello World 的二进制码。
@ Example 2 String的+运算例子
我们再来看一个比较复杂的例子
public class Test_6 {
public static void main(String[] args) {
String str_aa = "Love";
String str_bb = "beautiful" + " girl";
String str_cc = str_aa+" China";
}
}
同样，查看class文件的字节码信息：
class文件的常量池保存了Love、beautiful girl、China，但却没有 Love China。为什么 str_bb 与 str_cc 都是通过 + 链接得到的，为什么str_cc的值没有出现在常量池中，而str_bb的值却出现了。
这是因为str_bb的值是由两个常量计算得到的，这种只有常量的表达式计算在编译期间由编译器计算得到的，要记住，能由编译器完成的计算，就不会拖到运行期间来计算。
而str_cc的计算中包含了变量str_aa，涉及到变量的表达式计算都是在运行期间计算的，因为变量是无法在编译期间确定它的值，特别是多线程下，同时得到结果是CPU动态分配空间存储的，也就是说地址也无法确定。我们再去细看，就会发现常量池中的包含了StringBuilder以及其方法的描述信息，其实，这个StringBuilder是为了计算str_aa+" China"表达式，先调用append()方法，添加两个字符串，在调用toString()方法，返回结果。也就是说，在运行期间，String字符串通过 + 来链接的表达式计算都是通过创建StringBuilder来完成的
@ Example 3 String新建对象例子
下面的例子，str_bb的值是直接通过new新建一个对象，观察静态常量池。
public class MyTest {
public static void main(String[] args) {
String str_bb = new String("Hello");
}
}
查看对应class文件的字节码信息：
通过new新建对象的操作是在运行期间才完成的，为什么这里仍旧在class文件的常量池中出现呢？这是因为"Hello"本身就是一个字面常量，这是很容易让人忽略的。有双引号包裹的都是字面常量。同时，new创建一个String字符串对象，确实是在运行时完成的，但这个对象将不同于字符串常量池中所维护的常量。
二、自动装箱拆箱机制 与 缓存机制
先来简单介绍一下自动装箱拆箱机制
1、自动装拆箱机制介绍
装箱： 可以自动将基本类型直接转换成对应的包装类型。
拆箱： 自动将包装类型转换成对应的基本类型值；
//普通的创建对象方式
Integer a = new Integer(5);
//装箱
Integer b = 5;
//拆箱
int c = b+5;
2. 自动装箱拆箱的原理
装箱拆箱究竟是是怎么实现，感觉有点神奇，居然可以使基本类型与包装类型快速转换。我们再稍微简化上面的例子：
public class Test_6 {
public static void main(String[] args) {
//装箱
Integer b = 5;
//拆箱
int c = b+5;
}
}
依旧使用 javap -v Test_6.class 查看这个类的class文件的字节码信息，如下图：
可以从class的字节码发现，静态常量池中，由Integer.valueOf() 和 Integer.initValue() 这两个方法的描述。这就有点奇怪，例子中的代码中并没有调用这两个方法，为什么编译后会出现呢？
感觉还是不够清晰，我们换另一种反编译工具来反编译一下，这次我们反编译回java代码，使用命令 jad Test_6.class ，得到的反编译代码如下：
public class Test_6
{
public static void main(String args[])
{
Integer b = Integer.valueOf(5);
int c = b.intValue() + 5;
}
}
这回就非常直观明了了。所谓装箱拆箱并没有多厉害，还是要通过调用Integer.valueOf()（装箱） 和 Integer.initValue()（拆箱）来完成的。也就是说，自动装箱拆箱机制是一种语法简写，为了方便程序员，省去了手动装箱拆箱的麻烦，变成了自动装箱拆箱
判别是装箱还是拆箱
在下面的两个例子中，可能会让你很迷惑：不知道到底使用了装箱，还是使用了拆箱。
Integer x = 1;
Integer y = 2;
Integer z = x+y;
这种情况其实只要仔细想一下便可以知道：这是 先拆箱再装箱。因为Integer类型是引用类型，所以不能参与加法运算，必须拆箱成基本类型来求和，在装箱成Integer。如果改造上面的例子，把Integer变成Short，则正确代码如下：
Short a = 5;
Short b = 6;
Short c = (short) (a+b);
再看另一种情况：
3. 包装类的缓存机制
我们先来看一个例子
public class MyTest {
public static void main(String[] args) {
Integer a = 5;
Integer b = 5;
Integer c = 129;
Integer d = 129;
System.out.println("a==b "+ (a == b));
System.out.println("c==d "+ (c == d));
}
}
运行结果：
a == b true
c == d false
咦，为什么是a和b所指向的是一个对象呢？难道JVM在类加载时也为包装类型维护了一个常量池？如果是这样，为什么变量c、d的地址不一样。事实上，JVM确实没有为包装类维护一个常量池。变量a、b、c、d是由装箱得到的，根据前面所说的，装箱其实是编译器自动添加了Integer.valueOf() 方法。秘密应该就在这个方法内，那么我们看一下Integer.valueOf()的源代码吧，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);
}
代码很简单，判断装箱所使用的基本类型值是否在 [ IntegerCache.low, IntegerCache.high] 的范围内，如果在，返回IntegerCache.cache数组中对应下标的元素。否则，才新建一个对象。我们继续深入查看 IntegerCache 的源码，如下：
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");
//获取上限值
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;
//创建数组
cache = new Integer[(high - low) + 1];
int j = low;
//填充数组
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() {}
}
从源码中，可以知道，IntegerCache.cache是一个final的Integer数组，这个数组存储的Integer对象元素的值范围是[-128，127]。而且这个数组的初始化代码是包裹在static代码块中，也就是说IntegerCache.cache数组的初始化是在类加载时完成的。
再看回上面的例子，变量a和b的使用的基本类型值为5，超出[-128,127]的范围，所以就使用缓存数组中的元素，所以a、b的地址是一样的。而c、d使用的基本类型值为129，超出缓存范围，所以都是各自在堆上创建一个对，地址自然就不一样了。
包装类缓存总结与补充：
- 包装类与String类很相似，都是非可变类，即一经创建后，便不可以修改。正因为这种特性，两者的对象实例在多线程下是安全的，不用担心异步修改的情况，这为他们实现共享提供了很好的保证，只需创建一个对象共享便可。
- 包装类的共享实现并不是由JVM来维护一个常量池，而是使用了缓存机制（数组），而且这个缓存是在类加载时完成初始化，并且不可再修改。
- 包装类的数组缓存范围是有限，只缓存基本类型值在一个字节范围内，也就是说 -128 ~ 127。（Character的范围是 0~127）
- 目前并不是所有包装类都提供缓存机制，只有Byte、Character、Short、Integer 4个包装类提供，Long、Float、Double 不提供。
参考文献：
