从一道面试题探究 Integer 的实现

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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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