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淺析Java中為什麼要設計包裝類

2021-06-21 16:01:12

一、為什麼需要包裝類

在 Java 中,萬物皆物件,所有的操作都要求用物件的形式進行描述。但是 Java 中除了物件(參照型別)還有八大基本型別,它們不是物件。那麼,為了把基本型別轉換成物件,最簡單的做法就是將基本型別作為一個類的屬性儲存起來,也就是把基本資料型別包裝一下,這也就是包裝類的由來。

這樣,我們先自己實現一個簡單的包裝類,以包裝基本型別 int 為例:

// 包裝類 MyInt
public class MyInt {
    private int number; // 基本資料型別
    
    public Int (int number){ // 建構函式,傳入基本資料型別
        this.number = number;
    }
    
    public int intValue(){ // 取得包裝類中的資料
        return this.number;
    }
}

測試一下這個包裝類:

public static void main(String[] args) {
    MyInt temp = new Int(100); // 100 是基本資料型別, 將基本資料型別包裝後成為物件
    int result = temp.intValue(); // 從物件中取得基本資料型別
    System.out.println(result);
}

當然,我們自己實現的這個包裝類非常簡單,Java 給我們提供了更完善的內建包裝類:

基本型別 對應的包裝類(位於 java.lang 包中)
byte Byte
short Short
int Integer
long Long
float Float
double Double
char Character
boolean Boolean

前 6 個類派生於公共的超類 Number,而 CharacterBooleanObject 的直接子類。

來看看包裝類的宣告,以 Integer 為例:

final 修飾,也就是說 Java 內建的包裝類是無法被繼承的。

二、裝箱與拆箱

OK,現在我們已經知道了,存在基本資料型別與其對應的包裝類,那麼,他們之間互相的轉換操作就稱為裝箱與拆箱:

  • 裝箱:將基本資料型別轉換成包裝類(每個包裝類的構造方法都可以接收各自資料型別的變數)
  • 拆箱:從包裝類之中取出被包裝的基本型別資料(使用包裝類的 xxxValue 方法)

下面以 Integer 為例,我們來看看 Java 內建的包裝類是如何進行拆裝箱的:

Integer obj = new Integer(10);  // 自動裝箱
int temp = obj.intValue();  	// 自動拆箱

可以看出,和上面我們自己寫的包裝類使用方式基本一樣,事實上,Integer 中的這兩個方法其底層實現和我們上述寫的程式碼也是差不多的。

不知道各位發現沒,value 被宣告為 final 了,也就是說一旦構造了包裝器,就不允許更改包裝在其中的值。

另外,需要注意的是,這種形式的程式碼是 JDK 1.5 以前的!!!JDK 1.5 之後,Java 設計者為了方便開發提供了自動裝箱與自動拆箱的機制,並且可以直接利用包裝類的物件進行數學計算。

還是以 Integer 為例我們來看看自動拆裝箱的過程:

Integer obj = 10;  	// 自動裝箱. 基本資料型別 int -> 包裝類 Integer
int temp = obj;  	// 自動拆箱. Integer -> int
obj ++; // 直接利用包裝類的物件進行數學計算
System.out.println(temp * obj); 

看見沒有,基本資料型別到包裝類的轉換,不需要像上面一樣使用建構函式,直接 = 就完事兒;同樣的,包裝類到基本資料型別的轉換,也不需要我們手動呼叫包裝類的 xxxValue 方法了,直接 = 就能完成拆箱。這也是將它們稱之為自動的原因。

我們來看看這段程式碼反編譯後的檔案,底層到底是什麼原理:

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

可以看見,自動裝箱的底層原理是呼叫了包裝類的 valueOf 方法,而自動拆箱的底層呼叫了包裝類的 intValue() 方法。

三、不簡單的 Integer.valueOf

我們上面已經看過了用於自動拆箱的 intValue 方法的原始碼,非常簡單。接下來咱來看看用於自動裝箱的 valueOf,其他包裝類倒沒什麼好說的,不過 Integer 中的這個方法還是有點東西的:

IntegerCache 又是啥,點進去看看:

IntegerCacheInteger 類中的靜態內部類,綜合這兩段程式碼,我們大概也能知道,IntegerCache 其實就是個快取,其中定義了一個緩衝區 cache,用於儲存 Integer 型別的資料,快取區間是 [-128, 127]。

回到 valueOf 的原始碼:它首先會判斷 int 型別的實參 i 是否在可快取區間內,如果在,就直接從快取 IntegerCache 中獲取對應的 Integer 物件;如果不在快取區間內,則會 new 一個新的 Integer 物件。

結合這個特性,我們來看一個題目,兩種類似的程式碼邏輯,但是卻得到完全相反的結果。:

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
}

我們知道,== 擁有兩種應用場景:

  • 對於參照型別來說,判斷的是記憶體地址是否相等
  • 對於基本型別來說,判斷的是值是否相等

從 a1 開始看,由於其值在 InterCache 的快取區間內,所以這個 Integer 物件會被存入快取。而在建立 a2 的時候,由於其值和 a1 相等,所以直接從快取中取出值為 127 的 Integer 物件給 a2 使用,也就是說,a1 和 a2 這兩個 Integer 的物件參照都指向同一個地址。

對於 b1 和 b2 來說,由於 128 不在 IntegerCache 的快取區間內,那就只能自己老老實實開闢空間了,所以 b1 和 b2 指向不同的記憶體地址。

很顯然,由於 InterCache 快取機制的存在,可能會讓我們在程式設計的時候出現困惑,因此最好使用 .equals 方法來比較 Integer 值是否相等。Integer 重寫了 .equals 方法:

當然,其他包裝類雖然沒有快取機制,但是也都過載了 .equals 方法,用於根據值來判斷是否相等。因此,得出結論,使用 equals 方法來比較兩個包裝類物件的值。

四、Object 類可以接收所有資料型別

綜上,有了自動拆裝箱機制,基本資料型別可以自動的被轉為包裝類,而 Object 是所有類的父類別,也就是說,Object 可以接收所有的資料型別了(參照型別、基本型別)!!!

不信你可以試試,直接用 Object 類接收一個基本資料型別 int,完全是可以的。

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

解釋一下上面這段程式碼發生了什麼,下面這張圖很重要,大家仔細看:

五、包裝類在集合中的廣泛使用

其實包裝類最常見的使用就是在集合中,因為集合不允許儲存基本型別的資料,只能儲存參照型別的資料。那如果我們想要儲存 1、2、3 這樣的基本型別資料怎麼辦?舉個例子,我們可以如下宣告一個 Integer 物件的陣列列表:

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

往這個列表中新增 int 型資料:

list.add(3); 

上面這個呼叫在底層將會發生自動裝箱操作:

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

基本資料型別 int 會被轉換成 Integer 物件存入集合中。

我們再來從這個集合中根據某個下標 i 獲取對應的 Integer 物件,並用基本資料型別 int 接收:

int n = list.get(i);

上面這個呼叫在底層將會發生自動拆箱操作:

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

六、資料型別轉換

另外,除了在集合中的廣泛應用,包裝類還包含一個重要功能,那就是提供將String型資料變為基本資料型別的方法,使用幾個代表的類做說明:

Integer

Double

Boolean

這些方法均被 static 標識,也就是說它們被各自對應的所有物件共同維護,直接通過類名存取該方法。舉個例子:

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

需要特別注意的是:Character 類裡面並不存在字串變為字元的方法,因為 String 類中已經有一個 charAt()的方法可以根據索引取出字元內容。

以上就是淺析Java中為什麼要設計包裝類的詳細內容,更多關於Java 設計包裝類的資料請關注it145.com其它相關文章!


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