Java基本数据类型和Integer缓存机制

一、8种基本数据类型(4整,2浮,1符,1布)

​ 整型：byte（最小的数据类型）、short（短整型）、int（整型）、long（长整型）；

​ 浮点型：float（浮点型）、double（双精度浮点型）；

​ 字符型：char（字符型）；

​ 布尔型：boolean（布尔型）。

二、取值范围

 数据类型名称占用字节默认值最小值最大值对应包装类
整数类型 byte 1 0 -128（-2^7）~ 127(2^7-1) Byte
整数类型 short 2 0 -32768（-2^15）~ 32767（2^15 - 1） Short
整数类型 int 4 0 -2,147,483,648（-2^31）~ 2,147,483,647（2^31 - 1） Integer
整数类型 long 8 0.0L -9,223,372,036,854,775,808（-2^63）~ 9,223,372,036,854,775,807（2^63 -1） Long
浮点类型 float 4 0.0f 1.4E-45 ~ 3.4028235E38 Float
浮点类型 double 8 0.0 4.9E-324 ~ 1.7976931348623157E308 Double
字符类型 char 2 空 u0000（即为0）~ uffff（即为65,535） Character
布尔类型 boolean 1 flase true 和 false Boolean

三、Integer 的缓存机制

Integer 缓存是 Java 5 中引入的一个有助于节省内存、提高性能的特性。

Integer的缓存机制： Integer是对小数据（-128~127）是有缓存的，再jvm初始化的时候，数据-128~127之间的数字便被缓存到了本地内存中，如果初始化-128~127之间的数字，会直接从内存中取出，不需要新建一个对象.

首先看一个使用 Integer 的示例代码，展示了 Integer 的缓存行为。

  1. /**
  2. * 测试Integer的缓存 IntegerCache.cache
  3. */
  4. private static void testIntegerCache() {
  5. System.out.println("---int---");
  6. int a = 127, b = 127;
  7. System.out.println(a == b); //true
  8. a = 128;
  9. b = 128;
  10. System.out.println(a == b); //true
  12. System.out.println("---Integer---");
  13. Integer aa = 127, bb = 127;
  14. System.out.println(aa == bb); //true
  15. aa = 128;
  16. bb = 128;
  17. System.out.println(aa == bb); //false
  18. System.out.println(aa.equals(bb)); //true
  19. }

在 Java 5 中，为 Integer 的操作引入了一个新的特性，用来节省内存和提高性能。整型对象在内部实现中通过使用相同的对象引用实现了缓存和重用。
上面的规则适用于整数区间 -128 到 +127。

Java 编译器把原始类型自动转换为封装类的过程称为自动装箱（autoboxing），这相当于调用 valueOf 方法。

下面是 JDK 1.8.0 build 25 中的代码。

  1. /**
  2. * Returns an {@code Integer} instance representing the specified
  3. * {@code int} value. If a new {@code Integer} instance is not
  4. * required, this method should generally be used in preference to
  5. * the constructor {@link #Integer(int)}, as this method is likely
  6. * to yield significantly better space and time performance by
  7. * caching frequently requested values.
  8. *
  9. * This method will always cache values in the range -128 to 127,
  10. * inclusive, and may cache other values outside of this range.
  11. *
  12. * @param i an {@code int} value.
  13. * @return an {@code Integer} instance representing {@code i}.
  14. * @since 1.5
  15. */
  16. public static Integer valueOf(int i) {
  17. if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
  18. return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
  19. return new Integer(i);
  20. }

在创建新的 Integer 对象之前会先在 IntegerCache.cache (是个Integer类型的数组)中查找。

IntegerCache 是 Integer 类中一个私有的静态类，负责 Integer 的缓存。

  1. /**
  2. * Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between
  3. * -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.
  4. *
  5. * The cache is initialized on first usage. The size of the cache
  6. * may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} option.
  7. * During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property
  8. * may be set and saved in the private system properties in the
  9. * sun.misc.VM class.
  10. */
  12. private static class IntegerCache {
  13. static final int low = -128;
  14. static final int high;
  15. static final Integer cache[];
  17. static {
  18. // high value may be configured by property
  19. int h = 127;
  20. String integerCacheHighPropValue =
  21. sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
  22. if (integerCacheHighPropValue != null) {
  23. try {
  24. int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
  25. i = Math.max(i, 127);
  26. // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
  27. h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
  28. } catch( NumberFormatException nfe) {
  29. // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
  30. }
  31. }
  32. high = h;
  34. cache = new Integer[(high - low) + 1];
  35. int j = low;
  36. for(int k = 0; k < cache.length; k++)
  37. cache[k] = new Integer(j++);
  39. // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
  40. assert IntegerCache.high >= 127;
  41. }
  43. private IntegerCache() {}
  44. }

Javadoc 详细的说明这个类是用来实现缓存支持，并支持 -128 到 127 之间的自动装箱过程。最大值 127 可以通过 JVM 的启动参数 -XX:AutoBoxCacheMax=size 修改。 缓存通过一个 for 循环实现。从小到大的创建尽可能多的整数并存储在一个名为 cache 的整数数组中。这个缓存会在 Integer 类第一次被使用的时候被初始化出来。以后，就可以使用缓存中包含的实例对象，而不是创建一个新的实例(在自动装箱的情况下)。

实际上在 Java 5 中引入这个特性的时候，范围是固定的 -128 至 +127。后来在 Java 6 中，最大值映射到 java.lang.Integer.IntegerCache.high，可以使用 JVM 的启动参数设置最大值。这使我们可以根据应用程序的实际情况灵活地调整来提高性能。是什么原因选择这个 -128 到 127 这个范围呢？因为这个范围的整数值是使用最广泛的。 在程序中第一次使用 Integer 的时候也需要一定的额外时间来初始化这个缓存。

Java 语言规范中的缓存行为
在 Boxing Conversion 部分的Java语言规范(JLS)规定如下：
如果一个变量 p 的值属于：-128至127之间的整数(§3.10.1)，true 和 false的布尔值 (§3.10.3)，’u0000′ 至 ‘u007f’ 之间的字符(§3.10.4)中时，将 p 包装成 a 和 b 两个对象时，可以直接使用 a == b 判断 a 和 b 的值是否相等。
其他缓存的对象
这种缓存行为不仅适用于Integer对象。我们针对所有整数类型的类都有类似的缓存机制。
有 ByteCache 用于缓存 Byte 对象
有 ShortCache 用于缓存 Short 对象
有 LongCache 用于缓存 Long 对象
有 CharacterCache 用于缓存 Character 对象
Byte，Short，Long 有固定范围: -128 到 127。对于 Character, 范围是 0 到 127。除了 Integer 可以通过参数改变范围外，其它的都不行。

四、浮点型数据

浮点类型是指用于表示小数的数据类型。

单精度和双精度的区别：

​ 单精度浮点型float，用32位存储，1位为符号位, 指数8位, 尾数23位，即：float的精度是23位，能精确表达23位的数，超过就被截取。

​ 双精度浮点型double，用64位存储，1位符号位,11位指数,52位尾数，即：double的精度是52位，能精确表达52位的数，超过就被截取。

​ 双精度类型double比单精度类型float具有更高的精度，和更大的表示范围，常常用于科学计算等高精度场合。

浮点数与小数的区别：

​ 1）在赋值或者存储中浮点类型的精度有限，float是23位，double是52位。

​ 2）在计算机实际处理和运算过程中，浮点数本质上是以二进制形式存在的。

​ 3）二进制所能表示的两个相邻的浮点值之间存在一定的间隙，浮点值越大，这个间隙也会越大。如果此时对较大的浮点数进行操作时，浮点数的精度问题就会产生，甚至出现一些“不正常”的现象。

为什么不能用浮点数来表示金额

先给出结论：金额用BigDecimal

1）精度丢失问题

​ 从上面我们可以知道，float的精度是23位，double精度是63位。在存储或运算过程中，当超出精度时，超出部分会被截掉，由此就会造成误差。

​ 对于金额而言，舍去不能表示的部分，损失也就产生了。

32位的浮点数由3部分组成：1比特的符号位，8比特的阶码（exponent,指数），23比特的尾数（Mantissa，尾数）。这个结构会表示成一个小数点左边为1，以底数为2的科学计数法表示的二进制小数。浮点数的能表示的数据大小范围由阶码决定，但是能够表示的精度完全取决于尾数的长度。long的最大值是2的64次方减1，需要63个二进制位表示，即便是double，52位的尾数也无法完整的表示long的最大值。不能表示的部分也就只能被舍去了。对于金额，舍去不能表示的部分，损失也就产生了。
  了解了浮点数表示机制后，丢失精度的现象也就不难理解了。但是，这只是浮点数不能表示金额的原因之一。还有一个深刻的原因与进制转换有关。十进制的0.1在二进制下将是一个无线循环小数。

  1. public class MyTest {
  2. public static void main(String[] args) {
  3. float increment = 0.1f;
  4. float expected = 1;
  5. float sum = 0;
  6. for (int i = 0; i < 10; i++) {
  7. sum += increment;
  8. System.out.println(sum);
  9. }
  11. if (expected == sum) {
  12. System.out.println("equal");
  13. } else {
  14. System.out.println("not equal ");
  15. }
  16. }
  17. }

输出结果：

  1. 0.1
  2. 0.2
  3. 0.3
  4. 0.4
  5. 0.5
  6. 0.6
  7. 0.70000005
  8. 0.8000001
  9. 0.9000001
  10. 1.0000001
  11. not equal

2）进制转换误差

​ 从上面我们可以知道，在计算机实际处理和运算过程中，浮点数本质上是以二进制形式存在的。

​ 而十进制的0.1在二进制下将是一个无限循环小数，这就会导致误差的出现。

​ 如果一个小数不是2的负整数次幂，用浮点数表示必然产生浮点误差。

​ 换言之：A进制下的有限小数，转换到B进制下极有可能是无限小数，误差也由此产生。

​ 浮点数不精确的根本原因在于：尾数部分的位数是固定的，一旦需要表示的数字的精度高于浮点数的精度，那么必然产生误差！

​ 解决这个问题的方法是BigDecimal的类，这个类可以表示任意精度的数字，其原理是：用字符串存储数字，转换为数组来模拟大数，实现两个数组的数学运算并将结果返回。

BigDecimal的使用要点：

​ 1、BigDecimal变量初始化——必须用传入String的构造方法

  1. `BigDecimal num1 = ``new` `BigDecimal(0.005);``//用数值转换成大数，有误差``BigDecimal num12 = ``new` `BigDecimal(``"0.005"``);``//用字符串转换成大数，无误差`

因为：不是所有的浮点数都能够被精确的表示成一个double 类型值，有些浮点数值不能够被精确的表示成 double 类型值时，它会被表示成与它最接近的 double 类型的值，此时用它来初始化一个大数，会“先造成了误差，再用产生了误差的值生成大数”，也就是“将错就错”。

​ 2、使用除法函数在divide的时候要设置各种参数，要精确的小数位数和舍入模式，其中有8种舍入模式：

  1. 1、ROUND_UP
  3. 远离零的舍入模式。
  5. 在丢弃非零部分之前始终增加数字(始终对非零舍弃部分前面的数字加1)。
  7. 注意，此舍入模式始终不会减少计算值的大小。
  10. 2、ROUND_DOWN
  12. 接近零的舍入模式。
  14. 在丢弃某部分之前始终不增加数字(从不对舍弃部分前面的数字加1，即截短)。
  16. 注意，此舍入模式始终不会增加计算值的大小。
  19. 3、ROUND_CEILING
  21. 接近正无穷大的舍入模式。
  23. 如果 BigDecimal 为正，则舍入行为与 ROUND_UP 相同;
  25. 如果为负，则舍入行为与 ROUND_DOWN 相同。
  27. 注意，此舍入模式始终不会减少计算值。
  30. 4、ROUND_FLOOR
  32. 接近负无穷大的舍入模式。
  34. 如果 BigDecimal 为正，则舍入行为与 ROUND_DOWN 相同;
  36. 如果为负，则舍入行为与 ROUND_UP 相同。
  38. 注意，此舍入模式始终不会增加计算值。
  41. 5、ROUND_HALF_UP
  43. 向“最接近的”数字舍入，如果与两个相邻数字的距离相等，则为向上舍入的舍入模式。
  45. 如果舍弃部分 >= 0.5，则舍入行为与 ROUND_UP 相同;否则舍入行为与 ROUND_DOWN 相同。
  47. 注意，这是我们大多数人在小学时就学过的舍入模式(四舍五入)。
  50. 6、ROUND_HALF_DOWN
  52. 向“最接近的”数字舍入，如果与两个相邻数字的距离相等，则为上舍入的舍入模式。
  54. 如果舍弃部分 > 0.5，则舍入行为与 ROUND_UP 相同;否则舍入行为与 ROUND_DOWN 相同(五舍六入)。
  57. 7、ROUND_HALF_EVEN
  59. 向“最接近的”数字舍入，如果与两个相邻数字的距离相等，则向相邻的偶数舍入。
  61. 如果舍弃部分左边的数字为奇数，则舍入行为与 ROUND_HALF_UP 相同;
  63. 如果为偶数，则舍入行为与 ROUND_HALF_DOWN 相同。
  65. 注意，在重复进行一系列计算时，此舍入模式可以将累加错误减到最小。
  67. 此舍入模式也称为“银行家舍入法”，主要在美国使用。
  69. 如果前一位为奇数，则入位，否则舍去。
  71. 以下例子为保留小数点1位，那么这种舍入方式下的结果。
  73. 1.15>1.2 1.25>1.2
  76. 8、ROUND_UNNECESSARY
  78. 断言请求的操作具有精确的结果，因此不需要舍入。
  80. 如果对获得精确结果的操作指定此舍入模式，则抛出ArithmeticException。

经典面试题

1、short s1 = 1; s1 = s1 + 1;有什么错? short s1 = 1; s1 +=1;有什么错?

答：对于short s1=1;s1=s1+1来说，在s1+1运算时会自动提升表达式的类型为int，那么将int赋予给short类型的变量s1会出现类型转换错误。

对于short s1=1;s1+=1来说 +=是java语言规定的运算符，java编译器会对它进行特殊处理，因此可以正确编译。

2、char类型变量能不能储存一个中文的汉子，为什么？

char类型变量是用来储存Unicode编码的字符的，unicode字符集包含了汉字，所以char类型当然可以存储汉字的，还有一种特殊情况就是某个生僻字没有包含在unicode编码字符集中，那么就char类型就不能存储该生僻字。

3、Integer和int的区别

int是java的8种内置的原始数据类型。Java为每个原始类型都提供了一个封装类，Integer就是int的封装类。

int变量的默认值为0，Integer变量的默认值为null，这一点说明Integer可以区分出未赋值和值为0的区别，比如说一名学生没来参加考试，另一名学生参加考试全答错了，那么第一名考生的成绩应该是null，第二名考生的成绩应该是0分。关于这一点Integer应用很大的。Integer类内提供了一些关于整数操作的一些方法，例如上文用到的表示整数的最大值和最小值。

4、switch语句能否作用在byte上，能否作用在long上，能否作用在string上？

byte的存储范围小于int，可以向int类型进行隐式转换，所以switch可以作用在byte上

long的存储范围大于int，不能向int进行隐式转换，只能强制转换，所以switch不可以作用在long上

string在1.7版本之前不可以，1.7版本之后switch就可以作用在string上了

5.是否存在 x>x+1?为什么？

这就是临界值，当x=最大值 时； 再加1（根据二进制运算+1）就超过了它的临界值，刚好会是它最小值。

举个例子吧，byte 8位， -128 ~ 127

127 二进制： 0111 1111

1 二进制 ： 0000 0001

相加结果： 1000 0000

byte 8位 有符号， 1000 0000 刚好 为 -128

Reference

java 基础—8 种基本数据类型：整型、浮点型、布尔型、字符型 整型中 byte、short、int、long 的取值范围 什么是浮点型？什么是单精度和双精度？为什么不能用浮点型表示金额？

理解Java Integer的缓存策略

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