Java 中 Integer 的缓存策略

引子

介绍 Java 中 Integer 缓存的相关知识前，我们先来看一段代码，猜猜输出结果，

package com.codingon.java;

public class JavaIntegerCache {

    public static void main(String[] args) {
        Integer integer1 = 3;
        Integer integer2 = 3;

        if (integer1 == integer2) {
            System.out.println("integer1 == integer2");
        } else {
            System.out.println("integer1 != integer2");
        }

        Integer integer3 = 300;
        Integer integer4 = 300;

        if (integer3 == integer4) {
            System.out.println("integer3 == integer4");
        } else {
            System.out.println("integer3 != integer4");
        }

    }

}

大多数人都会认为上面的两个判断的结果都是false。虽然它们的值相等，但由于比较的是对象，而对象的引用不一样，所以会认为两个 if 判断都是false的。在 Java 中，==比较的是对象引用，而equals比较的是值。因此，在这个例子中，不同的对象有不同的引用，所以在进行比较的时候都应该返回false。但是奇怪的是，这里两个相似的 if 条件判断却返回不同的布尔值。

下面是上面代码真正的输出结果，

integer1 == integer2
integer3 != integer4

Java 中 Integer 缓存实现

缓存策略

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。

这种 Integer 缓存策略仅在自动装箱（autoboxing）的时候有用，使用构造器创建的 Integer 对象不能被缓存。

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

Integer a = 10; //this is autoboxing
Integer b = Integer.valueOf(10); //under the hood

现在我们知道了 JDK 源码中对应实现的部分在哪里了，我们来看看valueOf的源码。下面是 JDK 1.8.0 build 77 中的代码。

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

在创建新的 Integer 对象之前会先在IntegerCache.cache中查找。有一个专门的 Java 类来负责 Integer 的缓存。

IntegerCache 类

IntegerCache 是 Integer 类中一个私有的静态类。我们来看看这个类，有比较详细的文档，可以给我们提供很多信息。

/**
 * Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between
 * -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.
 *
 * The cache is initialized on first usage.  The size of the cache
 * may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} option.
 * During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property
 * may be set and saved in the private system properties in the
 * sun.misc.VM class.
 */

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");
        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;
    }

    private IntegerCache() {}
}

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，另外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，范围越大初始化的时间也越长。

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，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。