JDK1.8源碼(一)——java.lang.Object類

　　本系列博客將對JDK1.8版本的相關類從源碼層次進行介紹，JDK8的下載地址。

　　首先介紹JDK中所有類的基類——java.lang.Object。

　　Object 類屬於 java.lang 包，此包下的所有類在使用時無需手動導入，系統會在程序編譯期間自動導入。Object 類是所有類的基類，當一個類沒有直接繼承某個類時，默認繼承Object類，也就是說任何類都直接或間接繼承此類，Object 類中能訪問的方法在所有類中都可以調用，下面我們會分別介紹Object 類中的所有方法。

1、Object 類的結構圖

 　　

　　Object.class類

/*
 * Copyright (c) 1994, 2012, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved.
 * ORACLE PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.
 *
 */

package java.lang;

/**
 * Class {@code Object} is the root of the class hierarchy.
 * Every class has {@code Object} as a superclass. All objects,
 * including arrays, implement the methods of this class.
 *
 * @author  unascribed
 * @see     java.lang.Class
 * @since   JDK1.0
 */
public class Object {

    private static native void registerNatives();
    static {
        registerNatives();
    }

    public final native Class<?> getClass();

    public native int hashCode();

    public boolean equals(Object obj) {
        return (this == obj);
    }

    protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
    
    public String toString() {
        return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
    }

    public final native void notify();
    
    public final native void notifyAll();
    
    public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
    
    public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
        if (timeout < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }
        if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
            throw new IllegalArgumentException(
                    "nanosecond timeout value out of range");
        }
        if (nanos > 0) {
            timeout++;
        }
        wait(timeout);
    }
    
    public final void wait() throws InterruptedException {
        wait(0);
    }
    
    protected void finalize() throws Throwable { }
}

2、 為什么java.lang包下的類不需要手動導入？

　　不知道大家注意到沒，我們在使用諸如Date類時，需要手動導入import java.util.Date，再比如使用File類時，也需要手動導入import java.io.File。但是我們在使用Object類，String 類，Integer類等不需要手動導入，而能直接使用，這是為什么呢？

　　這里先告訴大家一個結論：使用 java.lang 包下的所有類，都不需要手動導入。

　　另外我們介紹一下Java中的兩種導包形式，導包有兩種方法：

　　①、單類型導入（single-type-import），例如import java.util.Date

　　②、按需類型導入(type-import-on-demand)，例如import java.util.*

　　單類型導入比較好理解，我們編程所使用的各種工具默認都是按照單類型導包的，需要什么類便導入什么類，這種方式是導入指定的public類或者接口；

　　按需類型導入，比如 import java.util.*，可能看到后面的 *，大家會以為是導入java.util包下的所有類，其實並不是這樣，我們根據名字按需導入要知道他是按照需求導入，並不是導入整個包下的所有類。

　　Java編譯器會從啟動目錄(bootstrap)，擴展目錄(extension)和用戶類路徑下去定位需要導入的類，而這些目錄進僅僅是給出了類的頂層目錄，編譯器的類文件定位方法大致可以理解為如下公式：　

頂層路徑名 \ 包名 \ 文件名.class = 絕對路徑

　　單類型導入我們知道包名和文件名，所以編譯器可以一次性查找定位到所要的類文件。按需類型導入則比較復雜，編譯器會把包名和文件名進行排列組合，然后對所有的可能性進行類文件查找定位。例如：　　

package com;

import java.io.*;

import java.util.*;

　　如果我們文件中使用到了 File 類，那么編譯器會根據如下幾個步驟來進行查找 File 類：

　　①、File 　　　　　　// File類屬於無名包，就是說File類沒有package語句，編譯器會首先搜索無名包

　　②、com.File 　　　　// File類屬於當前包，就是我們當前編譯類的包路徑

　　③、java.lang.File 　　//由於編譯器會自動導入java.lang包，所以也會從該包下查找

　　④、java.io.File

　　⑤、java.util.File

　　......

　　需要注意的地方就是，編譯器找到java.io.File類之后並不會停止下一步的尋找，而要把所有的可能性都查找完以確定是否有類導入沖突。假設此時的頂層路徑有三個，那么編譯器就會進行3*5=15次查找。

　　如果在查找完成后，編譯器發現了兩個同名的類，那么就會報錯。要刪除你不用的那個類，然后再編譯。

　　所以我們可以得出這樣的結論：按需類型導入是絕對不會降低Java代碼的執行效率的，但會影響到Java代碼的編譯速度。所以我們在編碼時最好是使用單類型導入，這樣不僅能提高編譯速度，也能避免命名沖突。

　　講清楚Java的兩種導包類型了，我們在回到為什么可以直接使用 Object 類，看到上面查找類文件的第③步，編譯器會自動導入 java.lang 包，那么當然我們能直接使用了。至於原因，因為用的多，提前加載了，省資源。

3、類構造器

　　我們知道類構造器是創建Java對象的途徑之一，通過new 關鍵字調用構造器完成對象的實例化，還能通過構造器對對象進行相應的初始化。一個類必須要有一個構造器的存在，如果沒有顯示聲明，那么系統會默認創造一個無參構造器，在JDK的Object類源碼中，是看不到構造器的，系統會自動添加一個無參構造器。我們可以通過：

　　 Object obj = new Object()；構造一個Object類的對象。

4、equals 方法

　　通常很多面試題都會問 equals() 方法和 == 運算符的區別，== 運算符用於比較基本類型的值是否相同，或者比較兩個對象的引用是否相等，而 equals 用於比較兩個對象是否相等，這樣說可能比較寬泛，兩個對象如何才是相等的呢？這個標尺該如何定？

　　我們可以看看 Object 類中的equals 方法：

    public boolean equals(Object obj) {
        return (this == obj);
    }

　　可以看到，在 Object 類中，== 運算符和 equals 方法是等價的，都是比較兩個對象的引用是否相等，從另一方面來講，如果兩個對象的引用相等，那么這兩個對象一定是相等的。對於我們自定義的一個對象，如果不重寫 equals 方法，那么在比較對象的時候就是調用 Object 類的 equals 方法，也就是用 == 運算符比較兩個對象。我們可以看看 String 類中的重寫的 equals 方法：

    public boolean equals(Object anObject) {
        if (this == anObject) {
            return true;
        }
        if (anObject instanceof String) {
            String anotherString = (String)anObject;
            int n = value.length;
            if (n == anotherString.value.length) {
                char v1[] = value;
                char v2[] = anotherString.value;
                int i = 0;
                while (n-- != 0) {
                    if (v1[i] != v2[i])
                        return false;
                    i++;
                }
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

　　String 是引用類型，比較時不能比較引用是否相等，重點是字符串的內容是否相等。所以 String 類定義兩個對象相等的標准是字符串內容都相同。

　　在Java規范中，對 equals 方法的使用必須遵循以下幾個原則：

　　①、自反性：對於任何非空引用值 x，x.equals(x) 都應返回 true。

　　②、對稱性：對於任何非空引用值 x 和 y，當且僅當 y.equals(x) 返回 true 時，x.equals(y) 才應返回 true。 

　　③、傳遞性：對於任何非空引用值 x、y 和 z，如果 x.equals(y) 返回 true，並且 y.equals(z) 返回 true，那么 x.equals(z) 應返回 true。

　　④、一致性：對於任何非空引用值 x 和 y，多次調用 x.equals(y) 始終返回 true 或始終返回 false，前提是對象上 equals 比較中所用的信息沒有被修改

　　⑤、對於任何非空引用值 x，x.equals(null) 都應返回 false。

　　下面我們自定義一個 Person 類，然后重寫其equals 方法，比較兩個 Person 對象：

package com.ys.bean;
/**
 * Create by vae
 */
public class Person {
    private String pname;
    private int page;

    public Person(){}

    public Person(String pname,int page){
        this.pname = pname;
        this.page = page;
    }
    public int getPage() {
        return page;
    }

    public void setPage(int page) {
        this.page = page;
    }

    public String getPname() {
        return pname;
    }

    public void setPname(String pname) {
        this.pname = pname;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if(this == obj){//引用相等那么兩個對象當然相等
            return true;
        }
        if(obj == null || !(obj instanceof  Person)){//對象為空或者不是Person類的實例
            return false;
        }
        Person otherPerson = (Person)obj;
        if(otherPerson.getPname().equals(this.getPname()) && otherPerson.getPage()==this.getPage()){
            return true;
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Tom",21);
        Person p2 = new Person("Marry",20);
        System.out.println(p1==p2);//false
        System.out.println(p1.equals(p2));//false

        Person p3 = new Person("Tom",21);
        System.out.println(p1.equals(p3));//true
    }

}

　　通過重寫 equals 方法，我們自定義兩個對象相等的標尺為Person對象的兩個屬性都相等，則對象相等，否則不相等。如果不重寫 equals 方法，那么始終是調用 Object 類的equals 方法，也就是用 == 比較兩個對象在棧內存中的引用地址是否相等。

 　　這時候有個Person 類的子類 Man，也重寫了 equals 方法：

package com.ys.bean;
/**
 * Create by vae
 */
public class Man extends Person{
    private String sex;

    public Man(String pname,int page,String sex){
        super(pname,page);
        this.sex = sex;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if(!super.equals(obj)){
            return false;
        }
        if(obj == null || !(obj instanceof  Man)){//對象為空或者不是Person類的實例
            return false;
        }
        Man man = (Man) obj;
        return sex.equals(man.sex);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person("Tom",22);
        Man m = new Man("Tom",22,"男");

        System.out.println(p.equals(m));//true
        System.out.println(m.equals(p));//false
    }
}

　　通過打印結果我們發現 person.equals(man)得到的結果是 true，而man.equals(person)得到的結果卻是false,這顯然是不正確的。

　　問題出現在 instanceof 關鍵字上，關於 instanceof 關鍵字的用法，可以參考我的這篇文章：http://www.cnblogs.com/ysocean/p/8486500.html

　　Man 是 Person 的子類，person instanceof Man 結果當然是false。這違反了我們上面說的對稱性。

　　實際上用 instanceof 關鍵字是做不到對稱性的要求的。這里推薦做法是用 getClass()方法取代 instanceof 運算符。getClass() 關鍵字也是 Object 類中的一個方法，作用是返回一個對象的運行時類，下面我們會詳細講解。

　　那么 Person 類中的 equals 方法為：

    public boolean equals(Object obj) {
        if(this == obj){//引用相等那么兩個對象當然相等
            return true;
        }
        if(obj == null || (getClass() != obj.getClass())){//對象為空或者不是Person類的實例
            return false;
        }
        Person otherPerson = (Person)obj;
        if(otherPerson.getPname().equals(this.getPname()) && otherPerson.getPage()==this.getPage()){
            return true;
        }
        return false;
    }

　　打印結果 person.equals(man)得到的結果是 false，man.equals(person)得到的結果也是false，滿足對稱性。

　　注意：使用 getClass 不是絕對的，要根據情況而定，畢竟定義對象是否相等的標准是由程序員自己定義的。而且使用 getClass 不符合多態的定義，比如 AbstractSet 抽象類，它有兩個子類 TreeSet 和 HashSet,他們分別使用不同的算法實現查找集合的操作，但無論集合采用哪種方式實現，都需要擁有對兩個集合進行比較的功能，如果使用 getClass 實現equals方法的重寫，那么就不能在兩個不同子類的對象進行相等的比較。而且集合類比較特殊，其子類是不需要自定義相等的概念的。

　　所以什么時候使用 instanceof 運算符，什么時候使用 getClass() 有如下建議：

　　①、如果子類能夠擁有自己的相等概念，則對稱性需求將強制采用 getClass 進行檢測。

　　②、如果有超類決定相等的概念，那么就可以使用 instanceof 進行檢測，這樣可以在不同的子類的對象之間進行相等的比較。

　　下面給出一個完美的 equals 方法的建議：

　　1、顯示參數命名為 otherObject，稍后會將它轉換成另一個叫做 other 的變量。

　　2、判斷比較的兩個對象引用是否相等，如果引用相等那么表示是同一個對象，那么當然相等

　　3、如果 otherObject 為 null，直接返回false，表示不相等

　　4、比較 this 和 otherObject 是否是同一個類：如果 equals 的語義在每個子類中有所改變，就使用 getClass 檢測；如果所有的子類都有統一的定義，那么使用 instanceof 檢測

　　5、將 otherObject 轉換成對應的類類型變量

　　6、最后對對象的屬性進行比較。使用 == 比較基本類型，使用 equals 比較對象。如果都相等則返回true，否則返回false。注意如果是在子類中定義equals，則要包含 super.equals(other)

　　下面我們給出 Person 類中完整的 equals 方法的書寫：

    @Override
    public boolean equals(Object otherObject) {
        //1、判斷比較的兩個對象引用是否相等，如果引用相等那么表示是同一個對象，那么當然相等
        if(this == otherObject){
            return true;
        }
        //2、如果 otherObject 為 null，直接返回false，表示不相等
        if(otherObject == null ){//對象為空或者不是Person類的實例
            return false;
        }
        //3、比較 this 和 otherObject 是否是同一個類（注意下面兩個只能使用一種）
        //3.1：如果 equals 的語義在每個子類中所有改變，就使用 getClass 檢測
        if(this.getClass() != otherObject.getClass()){
            return false;
        }
        //3.2：如果所有的子類都有統一的定義，那么使用 instanceof 檢測
        if(!(otherObject instanceof Person)){
            return false;
        }

        //4、將 otherObject 轉換成對應的類類型變量
        Person other = (Person) otherObject;

        //5、最后對對象的屬性進行比較。使用 == 比較基本類型，使用 equals 比較對象。如果都相等則返回true，否則返回false
        //   使用 Objects 工具類的 equals 方法防止比較的兩個對象有一個為 null而報錯，因為 null.equals() 是會拋異常的
        return Objects.equals(this.pname,other.pname) && this.page == other.page;

        //6、注意如果是在子類中定義equals，則要包含 super.equals(other)
        //return super.equals(other) && Objects.equals(this.pname,other.pname) && this.page == other.page;

    }

　　請注意，無論何時重寫此方法，通常都必須重寫hashCode方法，以維護hashCode方法的一般約定，該方法聲明相等對象必須具有相同的哈希代碼。hashCode 也是 Object 類中的方法，后面會詳細講解。

5、getClass 方法 

　　上面我們在介紹 equals 方法時，介紹如果 equals 的語義在每個子類中有所改變，那么使用 getClass 檢測，為什么這樣說呢？

　　getClass()在 Object 類中如下，作用是返回對象的運行時類。

public final native Class<?> getClass();

　　這是一個用 native 關鍵字修飾的方法，關於 native 關鍵字的詳細介紹如下：http://www.cnblogs.com/ysocean/p/8476933.html

　　這里我們要知道用 native 修飾的方法我們不用考慮，由操作系統幫我們實現，該方法的作用是返回一個對象的運行時類，通過這個類對象我們可以獲取該運行時類的相關屬性和方法。也就是Java中的反射，各種通用的框架都是利用反射來實現的，這里我們不做詳細的描述。

　　這里詳細的介紹 getClass 方法返回的是一個對象的運行時類對象，這該怎么理解呢？Java中還有一種這樣的用法，通過 類名.class 獲取這個類的類對象 ，這兩種用法有什么區別呢？

　　父類：Parent.class

public class Parent {}

　　子類：Son.class

public class Son extends Parent{}

　　測試：

@Test
public void testClass(){
    Parent p = new Son();
    System.out.println(p.getClass());
    System.out.println(Parent.class);
}

　　打印結果：

　　

　　結論：class 是一個類的屬性，能獲取該類編譯時的類對象，而 getClass() 是一個類的方法，它是獲取該類運行時的類對象。

　　還有一個需要大家注意的是，雖然Object類中getClass() 方法聲明是：public final native Class<?> getClass();返回的是一個 Class<?>，但是如下是能通過編譯的：

Class<? extends String> c = "".getClass();

　　也就是說類型為T的變量getClass方法的返回值類型其實是Class<? extends T>而非getClass方法聲明中的Class<?>。

　　這在官方文檔中也有說明：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Object.html#getClass--

6、hashCode 方法

　　hashCode 在 Object 類中定義如下：

public native int hashCode();

　　這也是一個用 native 聲明的本地方法，作用是返回對象的散列碼，是 int 類型的數值。

　　那么這個方法存在的意義是什么呢?

　　我們知道在Java 中有幾種集合類，比如 List,Set，還有 Map，List集合一般是存放的元素是有序可重復的，Set 存放的元素則是無序不可重復的，而 Map 集合存放的是鍵值對。

　　前面我們說過判斷一個元素是否相等可以通過 equals 方法，沒增加一個元素，那么我們就通過 equals 方法判斷集合中的每一個元素是否重復，但是如果集合中有10000個元素了，但我們新加入一個元素時，那就需要進行10000次equals方法的調用，這顯然效率很低。

　　於是，Java 的集合設計者就采用了 哈希表 來實現。關於哈希表的數據結構我有過介紹。哈希算法也稱為散列算法，是將數據依特定算法產生的結果直接指定到一個地址上。這個結果就是由 hashCode 方法產生。這樣一來，當集合要添加新的元素時，先調用這個元素的 hashCode 方法，就一下子能定位到它應該放置的物理位置上。

　　①、如果這個位置上沒有元素，它就可以直接存儲在這個位置上，不用再進行任何比較了；

　　②、如果這個位置上已經有元素了，就調用它的equals方法與新元素進行比較，相同的話就不存了；

　　③、不相同的話，也就是發生了Hash key相同導致沖突的情況，那么就在這個Hash key的地方產生一個鏈表，將所有產生相同HashCode的對象放到這個單鏈表上去，串在一起（很少出現）。這樣一來實際調用equals方法的次數就大大降低了，幾乎只需要一兩次。

　　

　　這里有 A,B,C,D四個對象，分別通過 hashCode 方法產生了三個值，注意 A 和 B 對象調用 hashCode 產生的值是相同的，即 A.hashCode() = B.hashCode() = 0x001,發生了哈希沖突，這時候由於最先是插入了 A，在插入的B的時候，我們發現 B 是要插入到 A 所在的位置，而 A 已經插入了，這時候就通過調用 equals 方法判斷 A 和 B 是否相同，如果相同就不插入 B，如果不同則將 B 插入到 A 后面的位置。所以對於 equals 方法和 hashCode 方法有如下要求：

　　一、hashCode 要求

　　①、在程序運行時期間，只要對象的（字段的）變化不會影響equals方法的決策結果，那么，在這個期間，無論調用多少次hashCode，都必須返回同一個散列碼。

　　②、通過equals調用返回true 的2個對象的hashCode一定一樣。

　　③、通過equasl返回false 的2個對象的散列碼不需要不同，也就是他們的hashCode方法的返回值允許出現相同的情況。

　　因此我們可以得到如下推論：

　　兩個對象相等，其 hashCode 一定相同;

　　兩個對象不相等，其 hashCode 有可能相同;

　　hashCode 相同的兩個對象，不一定相等;

　　hashCode 不相同的兩個對象，一定不相等;

 　　這四個推論通過上圖可以更好的理解。

　　可能會有人疑問，對於不能重復的集合，為什么不直接通過 hashCode 對於每個元素都產生唯一的值，如果重復就是相同的值，這樣不就不需要調用 equals 方法來判斷是否相同了嗎？
　　實際上對於元素不是很多的情況下，直接通過 hashCode 產生唯一的索引值，通過這個索引值能直接找到元素，而且還能判斷是否相同。比如數據庫存儲的數據，ID 是有序排列的，我們能通過 ID 直接找到某個元素，如果新插入的元素 ID 已經有了，那就表示是重復數據，這是很完美的辦法。但現實是存儲的元素很難有這樣的 ID 關鍵字，也就很難這種實現 hashCode 的唯一算法，再者就算能實現，但是產生的 hashCode 碼是非常大的，這會大的超過 Java 所能表示的范圍，很占內存空間，所以也是不予考慮的。

　　二、hashCode 編寫指導：

　　①、不同對象的hash碼應該盡量不同，避免hash沖突，也就是算法獲得的元素要盡量均勻分布。

　　②、hash 值是一個 int 類型，在Java中占用 4 個字節，也就是 2³² 次方，要避免溢出。

　　在 JDK 的 Integer類，Float 類，String 類等都重寫了 hashCode 方法，我們自定義對象也可以參考這些類來寫。

　　下面是 JDK String 類的hashCode 源碼：

    public int hashCode() {
        int h = hash;
        if (h == 0 && value.length > 0) {
            char val[] = value;

            for (int i = 0; i < value.length; i++) {
                h = 31 * h + val[i];
            }
            hash = h;
        }
        return h;
    }

　　再次提醒大家，對於 Map 集合，我們可以選取Java中的基本類型，還有引用類型 String 作為 key，因為它們都按照規范重寫了 equals 方法和 hashCode 方法。但是如果你用自定義對象作為 key，那么一定要覆寫 equals 方法和 hashCode 方法，不然會有意想不到的錯誤產生。

7、toString 方法

　　該方法在 JDK 的源碼如下：

    public String toString() {
        return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
    }

　　getClass().getName()是返回對象的全類名（包含包名）,Integer.toHexString(hashCode()) 是以16進制無符號整數形式返回此哈希碼的字符串表示形式。

　　打印某個對象時，默認是調用 toString 方法，比如 System.out.println(person),等價於 System.out.println(person.toString())

8、notify()/notifyAll()/wait()

　　這是用於多線程之間的通信方法，在后面講解多線程會詳細描述，這里就不做講解了。

9、finalize 方法

protected void finalize() throws Throwable { }

　　該方法用於垃圾回收，一般由 JVM 自動調用，一般不需要程序員去手動調用該方法。后面再講解 JVM 的時候會詳細展開描述。

10、registerNatives 方法 

　　該方法在 Object 類中定義如下：

private static native void registerNatives();

　　這是一個本地方法，在 native 介紹 中我們知道一個類定義了本地方法后，想要調用操作系統的實現，必須還要裝載本地庫，但是我們發現在 Object.class 類中具有很多本地方法，但是卻沒有看到本地庫的載入代碼。而且這是用 private 關鍵字聲明的，在類外面根本調用不了，我們接着往下看關於這個方法的類似源碼：

    static {
        registerNatives();
    }

　　看到上面的代碼，這就明白了吧。靜態代碼塊就是一個類在初始化過程中必定會執行的內容，所以在類加載的時候是會執行該方法的，通過該方法來注冊本地方法。

　　

　　參考文檔：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Object.html