Java基本數據類型和Integer緩存機制

一、8種基本數據類型(4整,2浮,1符,1布)

​ 整型：byte（最小的數據類型）、short（短整型）、int（整型）、long（長整型）；

​ 浮點型：float（浮點型）、double（雙精度浮點型）；

​ 字符型：char（字符型）；

​ 布爾型：boolean（布爾型）。

二、取值范圍

	數據類型名稱	占用字節	默認值	最小值最大值	對應包裝類
整數類型	byte	1	0	-128（-2^7）~ 127(2^7-1)	Byte
整數類型	short	2	0	-32768（-2^15）~ 32767（2^15 - 1）	Short
整數類型	int	4	0	-2,147,483,648（-2^31）~ 2,147,483,647（2^31 - 1）	Integer
整數類型	long	8	0.0L	-9,223,372,036,854,775,808（-2^63）~ 9,223,372,036,854,775,807（2^63 -1）	Long
浮點類型	float	4	0.0f	1.4E-45 ~ 3.4028235E38	Float
浮點類型	double	8	0.0	4.9E-324 ~ 1.7976931348623157E308	Double
字符類型	char	2	空	\u0000（即為0）~ \uffff（即為65,535）	Character
布爾類型	boolean	1	flase	true 和 false	Boolean

三、Integer 的緩存機制

Integer 緩存是 Java 5 中引入的一個有助於節省內存、提高性能的特性。

Integer的緩存機制： Integer是對小數據（-128~127）是有緩存的，再jvm初始化的時候，數據-128~127之間的數字便被緩存到了本地內存中，如果初始化-128~127之間的數字，會直接從內存中取出，不需要新建一個對象.

首先看一個使用 Integer 的示例代碼，展示了 Integer 的緩存行為。

1. /**
2. * 測試Integer的緩存 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，為 Integer 的操作引入了一個新的特性，用來節省內存和提高性能。整型對象在內部實現中通過使用相同的對象引用實現了緩存和重用。
上面的規則適用於整數區間 -128 到 +127。

Java 編譯器把原始類型自動轉換為封裝類的過程稱為自動裝箱（autoboxing），這相當於調用 valueOf 方法。

下面是 JDK 1.8.0 build 25 中的代碼。

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. }

在創建新的 Integer 對象之前會先在 IntegerCache.cache (是個Integer類型的數組)中查找。

IntegerCache 是 Integer 類中一個私有的靜態類，負責 Integer 的緩存。

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 詳細的說明這個類是用來實現緩存支持，並支持 -128 到 127 之間的自動裝箱過程。最大值 127 可以通過 JVM 的啟動參數 -XX:AutoBoxCacheMax=size 修改。 緩存通過一個 for 循環實現。從小到大的創建盡可能多的整數並存儲在一個名為 cache 的整數數組中。這個緩存會在 Integer 類第一次被使用的時候被初始化出來。以后，就可以使用緩存中包含的實例對象，而不是創建一個新的實例(在自動裝箱的情況下)。

實際上在 Java 5 中引入這個特性的時候，范圍是固定的 -128 至 +127。后來在 Java 6 中，最大值映射到 java.lang.Integer.IntegerCache.high，可以使用 JVM 的啟動參數設置最大值。這使我們可以根據應用程序的實際情況靈活地調整來提高性能。是什么原因選擇這個 -128 到 127 這個范圍呢？因為這個范圍的整數值是使用最廣泛的。 在程序中第一次使用 Integer 的時候也需要一定的額外時間來初始化這個緩存。

Java 語言規范中的緩存行為
在 Boxing Conversion 部分的Java語言規范(JLS)規定如下：
如果一個變量 p 的值屬於：-128至127之間的整數(§3.10.1)，true 和 false的布爾值 (§3.10.3)，’u0000′ 至 ‘u007f’ 之間的字符(§3.10.4)中時，將 p 包裝成 a 和 b 兩個對象時，可以直接使用 a == b 判斷 a 和 b 的值是否相等。
其他緩存的對象
這種緩存行為不僅適用於Integer對象。我們針對所有整數類型的類都有類似的緩存機制。
有 ByteCache 用於緩存 Byte 對象
有 ShortCache 用於緩存 Short 對象
有 LongCache 用於緩存 Long 對象
有 CharacterCache 用於緩存 Character 對象
Byte，Short，Long 有固定范圍: -128 到 127。對於 Character, 范圍是 0 到 127。除了 Integer 可以通過參數改變范圍外，其它的都不行。

四、浮點型數據

浮點類型是指用於表示小數的數據類型。

單精度和雙精度的區別：

​ 單精度浮點型float，用32位存儲，1位為符號位, 指數8位, 尾數23位，即：float的精度是23位，能精確表達23位的數，超過就被截取。

​ 雙精度浮點型double，用64位存儲，1位符號位,11位指數,52位尾數，即：double的精度是52位，能精確表達52位的數，超過就被截取。

​ 雙精度類型double比單精度類型float具有更高的精度，和更大的表示范圍，常常用於科學計算等高精度場合。

浮點數與小數的區別：

​ 1）在賦值或者存儲中浮點類型的精度有限，float是23位，double是52位。

​ 2）在計算機實際處理和運算過程中，浮點數本質上是以二進制形式存在的。

​ 3）二進制所能表示的兩個相鄰的浮點值之間存在一定的間隙，浮點值越大，這個間隙也會越大。如果此時對較大的浮點數進行操作時，浮點數的精度問題就會產生，甚至出現一些“不正常”的現象。

為什么不能用浮點數來表示金額

先給出結論：金額用BigDecimal

1）精度丟失問題

​ 從上面我們可以知道，float的精度是23位，double精度是63位。在存儲或運算過程中，當超出精度時，超出部分會被截掉，由此就會造成誤差。

​ 對於金額而言，舍去不能表示的部分，損失也就產生了。

32位的浮點數由3部分組成：1比特的符號位，8比特的階碼（exponent,指數），23比特的尾數（Mantissa，尾數）。這個結構會表示成一個小數點左邊為1，以底數為2的科學計數法表示的二進制小數。浮點數的能表示的數據大小范圍由階碼決定，但是能夠表示的精度完全取決於尾數的長度。long的最大值是2的64次方減1，需要63個二進制位表示，即便是double，52位的尾數也無法完整的表示long的最大值。不能表示的部分也就只能被舍去了。對於金額，舍去不能表示的部分，損失也就產生了。
  了解了浮點數表示機制后，丟失精度的現象也就不難理解了。但是，這只是浮點數不能表示金額的原因之一。還有一個深刻的原因與進制轉換有關。十進制的0.1在二進制下將是一個無線循環小數。

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. }

輸出結果：

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）進制轉換誤差

​ 從上面我們可以知道，在計算機實際處理和運算過程中，浮點數本質上是以二進制形式存在的。

​ 而十進制的0.1在二進制下將是一個無限循環小數，這就會導致誤差的出現。

​ 如果一個小數不是2的負整數次冪，用浮點數表示必然產生浮點誤差。

​ 換言之：A進制下的有限小數，轉換到B進制下極有可能是無限小數，誤差也由此產生。

​ 浮點數不精確的根本原因在於：尾數部分的位數是固定的，一旦需要表示的數字的精度高於浮點數的精度，那么必然產生誤差！

​ 解決這個問題的方法是BigDecimal的類，這個類可以表示任意精度的數字，其原理是：用字符串存儲數字，轉換為數組來模擬大數，實現兩個數組的數學運算並將結果返回。

BigDecimal的使用要點：

​ 1、BigDecimal變量初始化——必須用傳入String的構造方法

1. `BigDecimal num1 = ``new` `BigDecimal(0.005);``//用數值轉換成大數，有誤差``BigDecimal num12 = ``new` `BigDecimal(``"0.005"``);``//用字符串轉換成大數，無誤差`

因為：不是所有的浮點數都能夠被精確的表示成一個double 類型值，有些浮點數值不能夠被精確的表示成 double 類型值時，它會被表示成與它最接近的 double 類型的值，此時用它來初始化一個大數，會“先造成了誤差，再用產生了誤差的值生成大數”，也就是“將錯就錯”。

​ 2、使用除法函數在divide的時候要設置各種參數，要精確的小數位數和舍入模式，其中有8種舍入模式：

1. 1、ROUND_UP
3. 遠離零的舍入模式。
5. 在丟棄非零部分之前始終增加數字(始終對非零舍棄部分前面的數字加1)。
7. 注意，此舍入模式始終不會減少計算值的大小。
10. 2、ROUND_DOWN
12. 接近零的舍入模式。
14. 在丟棄某部分之前始終不增加數字(從不對舍棄部分前面的數字加1，即截短)。
16. 注意，此舍入模式始終不會增加計算值的大小。
19. 3、ROUND_CEILING
21. 接近正無窮大的舍入模式。
23. 如果 BigDecimal 為正，則舍入行為與 ROUND_UP 相同;
25. 如果為負，則舍入行為與 ROUND_DOWN 相同。
27. 注意，此舍入模式始終不會減少計算值。
30. 4、ROUND_FLOOR
32. 接近負無窮大的舍入模式。
34. 如果 BigDecimal 為正，則舍入行為與 ROUND_DOWN 相同;
36. 如果為負，則舍入行為與 ROUND_UP 相同。
38. 注意，此舍入模式始終不會增加計算值。
41. 5、ROUND_HALF_UP
43. 向“最接近的”數字舍入，如果與兩個相鄰數字的距離相等，則為向上舍入的舍入模式。
45. 如果舍棄部分 >= 0.5，則舍入行為與 ROUND_UP 相同;否則舍入行為與 ROUND_DOWN 相同。
47. 注意，這是我們大多數人在小學時就學過的舍入模式(四舍五入)。
50. 6、ROUND_HALF_DOWN
52. 向“最接近的”數字舍入，如果與兩個相鄰數字的距離相等，則為上舍入的舍入模式。
54. 如果舍棄部分 > 0.5，則舍入行為與 ROUND_UP 相同;否則舍入行為與 ROUND_DOWN 相同(五舍六入)。
57. 7、ROUND_HALF_EVEN
59. 向“最接近的”數字舍入，如果與兩個相鄰數字的距離相等，則向相鄰的偶數舍入。
61. 如果舍棄部分左邊的數字為奇數，則舍入行為與 ROUND_HALF_UP 相同;
63. 如果為偶數，則舍入行為與 ROUND_HALF_DOWN 相同。
65. 注意，在重復進行一系列計算時，此舍入模式可以將累加錯誤減到最小。
67. 此舍入模式也稱為“銀行家舍入法”，主要在美國使用。
69. 如果前一位為奇數，則入位，否則舍去。
71. 以下例子為保留小數點1位，那么這種舍入方式下的結果。
73. 1.15>1.2 1.25>1.2
76. 8、ROUND_UNNECESSARY
78. 斷言請求的操作具有精確的結果，因此不需要舍入。
80. 如果對獲得精確結果的操作指定此舍入模式，則拋出ArithmeticException。

經典面試題

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

答：對於short s1=1;s1=s1+1來說，在s1+1運算時會自動提升表達式的類型為int，那么將int賦予給short類型的變量s1會出現類型轉換錯誤。

對於short s1=1;s1+=1來說 +=是java語言規定的運算符，java編譯器會對它進行特殊處理，因此可以正確編譯。

2、char類型變量能不能儲存一個中文的漢子，為什么？

char類型變量是用來儲存Unicode編碼的字符的，unicode字符集包含了漢字，所以char類型當然可以存儲漢字的，還有一種特殊情況就是某個生僻字沒有包含在unicode編碼字符集中，那么就char類型就不能存儲該生僻字。

3、Integer和int的區別

int是java的8種內置的原始數據類型。Java為每個原始類型都提供了一個封裝類，Integer就是int的封裝類。

int變量的默認值為0，Integer變量的默認值為null，這一點說明Integer可以區分出未賦值和值為0的區別，比如說一名學生沒來參加考試，另一名學生參加考試全答錯了，那么第一名考生的成績應該是null，第二名考生的成績應該是0分。關於這一點Integer應用很大的。Integer類內提供了一些關於整數操作的一些方法，例如上文用到的表示整數的最大值和最小值。

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

byte的存儲范圍小於int，可以向int類型進行隱式轉換，所以switch可以作用在byte上

long的存儲范圍大於int，不能向int進行隱式轉換，只能強制轉換，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?為什么？

這就是臨界值，當x=最大值 時； 再加1（根據二進制運算+1）就超過了它的臨界值，剛好會是它最小值。

舉個例子吧，byte 8位， -128 ~ 127

127 二進制： 0111 1111

1 二進制 ： 0000 0001

相加結果： 1000 0000

byte 8位 有符號， 1000 0000 剛好 為 -128

Reference

java 基礎—8 種基本數據類型：整型、浮點型、布爾型、字符型 整型中 byte、short、int、long 的取值范圍 什么是浮點型？什么是單精度和雙精度？為什么不能用浮點型表示金額？

理解Java Integer的緩存策略