浅析Java中为什么要设计包装类

一、为什么需要包装类

在 Java 中,万物皆对象,所有的操作都要求用对象的形式进行描述。但是 Java 中除了对象(引用类型)还有八大基本类型,它们不是对象。那么,为了把基本类型转换成对象,最简单的做法就是将基本类型作为一个类的属性保存起来,也就是把基本数据类型包装一下,这也就是包装类的由来。

这样,我们先自己实现一个简单的包装类,以包装基本类型 int 为例:

// 包装类 MyInt
public class MyInt {
    private int number; // 基本数据类型
    
    public Int (int number){ // 构造函数,传入基本数据类型
        this.number = number;
    }
    
    public int intValue(){ // 取得包装类中的数据
        return this.number;
    }
}

测试一下这个包装类:

public static void main(String[] args) {
    MyInt temp = new Int(100); // 100 是基本数据类型, 将基本数据类型包装后成为对象
    int result = temp.intValue(); // 从对象中取得基本数据类型
    System.out.println(result);
}

当然,我们自己实现的这个包装类非常简单,Java 给我们提供了更完善的内置包装类:

基本类型 对应的包装类(位于 java.lang 包中)
byte Byte
short Short
int Integer
long Long
float Float
double Double
char Character
boolean Boolean

前 6 个类派生于公共的超类 Number,而 CharacterBooleanObject 的直接子类。

来看看包装类的声明,以 Integer 为例:

final 修饰,也就是说 Java 内置的包装类是无法被继承的。

二、装箱与拆箱

OK,现在我们已经知道了,存在基本数据类型与其对应的包装类,那么,他们之间互相的转换操作就称为装箱与拆箱:

  • 装箱:将基本数据类型转换成包装类(每个包装类的构造方法都可以接收各自数据类型的变量)
  • 拆箱:从包装类之中取出被包装的基本类型数据(使用包装类的 xxxValue 方法)

下面以 Integer 为例,我们来看看 Java 内置的包装类是如何进行拆装箱的:

Integer obj = new Integer(10);  // 自动装箱
int temp = obj.intValue();  	// 自动拆箱

可以看出,和上面我们自己写的包装类使用方式基本一样,事实上,Integer 中的这两个方法其底层实现和我们上述写的代码也是差不多的。

不知道各位发现没,value 被声明为 final 了,也就是说一旦构造了包装器,就不允许更改包装在其中的值。

另外,需要注意的是,这种形式的代码是 JDK 1.5 以前的!!!JDK 1.5 之后,Java 设计者为了方便开发提供了自动装箱与自动拆箱的机制,并且可以直接利用包装类的对象进行数学计算。

还是以 Integer 为例我们来看看自动拆装箱的过程:

Integer obj = 10;  	// 自动装箱. 基本数据类型 int -> 包装类 Integer
int temp = obj;  	// 自动拆箱. Integer -> int
obj ++; // 直接利用包装类的对象进行数学计算
System.out.println(temp * obj); 

看见没有,基本数据类型到包装类的转换,不需要像上面一样使用构造函数,直接 = 就完事儿;同样的,包装类到基本数据类型的转换,也不需要我们手动调用包装类的 xxxValue 方法了,直接 = 就能完成拆箱。这也是将它们称之为自动的原因。

我们来看看这段代码反编译后的文件,底层到底是什么原理:

Integer obj = Integer.valueOf(10);
int temp = obj.intValue();

可以看见,自动装箱的底层原理是调用了包装类的 valueOf 方法,而自动拆箱的底层调用了包装类的 intValue() 方法。

三、不简单的 Integer.valueOf

我们上面已经看过了用于自动拆箱的 intValue 方法的源码,非常简单。接下来咱来看看用于自动装箱的 valueOf,其他包装类倒没什么好说的,不过 Integer 中的这个方法还是有点东西的:

IntegerCache 又是啥,点进去看看:

IntegerCacheInteger 类中的静态内部类,综合这两段代码,我们大概也能知道,IntegerCache 其实就是个缓存,其中定义了一个缓冲区 cache,用于存储 Integer 类型的数据,缓存区间是 [-128, 127]。

回到 valueOf 的源码:它首先会判断 int 类型的实参 i 是否在可缓存区间内,如果在,就直接从缓存 IntegerCache 中获取对应的 Integer 对象;如果不在缓存区间内,则会 new 一个新的 Integer 对象。

结合这个特性,我们来看一个题目,两种类似的代码逻辑,但是却得到完全相反的结果。:

public static void main(String args[]) {
    Integer a1 = 127;
    Integer a2 = 127;
    System.out.println(a1 == a2); // true

    Integer b1 = 128;
    Integer b2 = 128;
    System.out.println(b1 == b2); // false
}

我们知道,== 拥有两种应用场景:

  • 对于引用类型来说,判断的是内存地址是否相等
  • 对于基本类型来说,判断的是值是否相等

从 a1 开始看,由于其值在 InterCache 的缓存区间内,所以这个 Integer 对象会被存入缓存。而在创建 a2 的时候,由于其值和 a1 相等,所以直接从缓存中取出值为 127 的 Integer 对象给 a2 使用,也就是说,a1 和 a2 这两个 Integer 的对象引用都指向同一个地址。

对于 b1 和 b2 来说,由于 128 不在 IntegerCache 的缓存区间内,那就只能自己老老实实开辟空间了,所以 b1 和 b2 指向不同的内存地址。

很显然,由于 InterCache 缓存机制的存在,可能会让我们在编程的时候出现困惑,因此最好使用 .equals 方法来比较 Integer 值是否相等。Integer 重写了 .equals 方法:

当然,其他包装类虽然没有缓存机制,但是也都重载了 .equals 方法,用于根据值来判断是否相等。因此,得出结论,使用 equals 方法来比较两个包装类对象的值。

四、Object 类可以接收所有数据类型

综上,有了自动拆装箱机制,基本数据类型可以自动的被转为包装类,而 Object 是所有类的父类,也就是说,Object 可以接收所有的数据类型了(引用类型、基本类型)!!!

不信你可以试试,直接用 Object 类接收一个基本数据类型 int,完全是可以的。

Object obj = 10;
int temp = (Integer) obj;

解释一下上面这段代码发生了什么,下面这张图很重要,大家仔细看:

五、包装类在集合中的广泛使用

其实包装类最常见的使用就是在集合中,因为集合不允许存储基本类型的数据,只能存储引用类型的数据。那如果我们想要存储 1、2、3 这样的基本类型数据怎么办?举个例子,我们可以如下声明一个 Integer 对象的数组列表:

ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();

往这个列表中添加 int 型数据:

list.add(3); 

上面这个调用在底层将会发生自动装箱操作:

list.add (Integer.valueOf(3));

基本数据类型 int 会被转换成 Integer 对象存入集合中。

我们再来从这个集合中根据某个下标 i 获取对应的 Integer 对象,并用基本数据类型 int 接收:

int n = list.get(i);

上面这个调用在底层将会发生自动拆箱操作:

int n = list.get(i).intValue();

六、数据类型转换

另外,除了在集合中的广泛应用,包装类还包含一个重要功能,那就是提供将String型数据变为基本数据类型的方法,使用几个代表的类做说明:

Integer

Double

Boolean

这些方法均被 static 标识,也就是说它们被各自对应的所有对象共同维护,直接通过类名访问该方法。举个例子:

String str = "10";
int temp = Integer.parseInt(str);// String -> int
System.out.println(temp * 2); // 20

需要特别注意的是:Character 类里面并不存在字符串变为字符的方法,因为 String 类中已经有一个 charAt()的方法可以根据索引取出字符内容。

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