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Java 常用基础类（一）：包装类

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1. 包装类是什么

  • Java 有 8 种基本数据类型，每种基本类型都有一个对应的包装类
  • 包装类是一个类，内部有一个实例变量，保存着对应的基本类型的值，这个类一般还有一些静态方法、静态变量和实例方法，以方便对数据进行操作
  • 除了 Integer 和 Character，其他包装类的类名称与基本类型基本一样，只是首字母大写

2. 包装类有什么用

  • Java 中很多代码（比如容器类）只能操作对象，为了能操作基本数据类型，需要使用其对应的包装类
  • 包装类提供了很多有用的方法，可以方便对数据操作

3. 包装类与基本类型怎样互相转换

  • 每种包装类都有一个静态方法 valueOf()，接收基本类型，返回引用类型
  • 也都有一个实例方法 xxxValue()，返回对应的基本类型

4. 怎样理解自动装箱和自动拆箱

  • 装箱：将基本类型转换为包装类的过程
  • 拆箱：将包装类型转换为基本类型的过程
  • 装箱和拆箱写起来比较繁琐，Java 5 以后引入了自动装箱和自动拆箱技术，可以直接将基本类型赋值给引用类型，反之亦可
  • 自动装箱/自动拆箱是 Java 编译器提供的能力
  • 每种包装类也都有构造方法，可以通过 new 创建（不推荐）

5. 创建包装类对象，应该用静态的 valueOf() 方法还是使用 new 呢

  • 一般建议使用静态 valueOf() 方法
  • new 每次都会创建一个新对象，而除了 Float 和 Double 外的其他包装类，都会缓存包装类对象，减少需要创建对象的次数，节省空间、提升性能
  • 实际上，从 Java 9 开始，这些构造方法已经被标记为过时了，推荐使用静态的 valueOf() 方法

6. 所有包装类都重写了 Object 类的哪些方法

  • boolean equals(Object obj)、int hashCode()、String toString()

7. 怎样理解 equals() 方法

  • equals() 用于判断当前对象和参数传入的对象是否相同
  • Object 类的默认实现是比较地址，对于两个变量，只有这两个变量指向同一个对象时，equals() 才返回 true，它和比较运算符 == 的结果是一样的
  • equals() 应该反映的是对象间的逻辑相等关系，所以 Object 类的默认实现一般是不合适的，子类经常需要重写该实现以实现自己期望的相等判断逻辑
  • 所有包装类都重写了该实现，实际比较用的是其包装类的基本类型值（看源码）

8. 怎样理解 hashCode() 方法

  • hashCode() 返回一个对象的哈希值，在 Object 类中用 native 修饰是一个本地方法、没有给出具体的实现
  • 哈希值是一个 int 类型的数，由对象中一般不变的属性映射得来，用于快速对对象进行区分、分组等
  • 一个对象的哈希值不能改变，相同对象的哈希值必须一样，反之不一定

9. hashCode() 方法和 equals() 方法的关系是

  • 二者联系密切，对两个对象，如果 equals() 方法返回 true，则 hashCode 也必须一样，反之不要求。equals() 方法返回 false 时，hashCode 可以一样，也可以不一样，但应该尽量不一样
  • hashCode() 的默认实现一般是将对象的内存地址转换为整数，子类如果重写了 equals() 方法，也必须重写 hashCode() 方法（否则和依赖与 hash 的集合类，比如 HashMap、HashSet 和 HashTable 等，一起使用时就会出错）
  • 之所以有这个规定，是因为 Java API 中很多类依赖于这个行为，尤其是容器中的一些类
  • 参考：为什么要重写 hashcode 和 equals 方法

10. 对于包装类 Boolean，其 hashCode() 代码为：public int hashCode() { return value ? 1231 : 1237; } 根据基础类型值返回了两个不同的数，为什么选这两个值

  • 因为这两个数是质数（只能被 1 和自身整除），质数用于哈希时比较好，不容易冲突

11. Comparable 接口代码是怎样的，包装类是怎样应用的

  • Comparable 接口代码

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    public interface Comparable<T> {
        public int compareTo(T o);
    }

  • 每个包装类都实现了 Comparable 接口，接口只有一个方法：compareTo(T o)，表示当前对象与参数对象进行比较，在小于、等于、大于参数时，应分别返回 -1、0、1

  • 各个包装类的实现基本都是根据基本类型值进行比较

  • 对于 Boolean，false 小于 true

  • 对于 Float 和 Double，存在和 equals() 方法一样的问题，0.01 和 0.1 * 0.1 相比的结果并不为 0（因为计算机本身就不能精确计算很多数，这是二进制的局限，但肯定比十进制优越得多）

12. 包装类中常用常量有哪些

  • 包装类中除了定义静态方法和实例方法外，还定义了一些静态变量，对 Boolean 来说，有
    • public static final Boolean TRUE = new Boolean(true);
    • public static final Boolean FALSE = new Boolean(false);
  • 所有数值类型都定义了 MAX_VALUE 和 MIN_VALUE，表示能表示的最大值和最小值。比如，对 Integer，有
    • public static final int MAX_VALUE = 0x7fffffff;
    • public static final int MIN_VALUE = 0x80000000;
  • Float 和 Double 还定义了一些特殊数值，比如正无穷、负无穷、非数值。比如，对于 Double，有
    • public static final double POSITIVE_INFINITY = 1.0 / 0.0； //正无穷
    • public static final double NEGATIVE_INFINITY = -1.0 / 0.0; //负无穷
    • public static final double NaN = 0.0 d / 0.0; //非数值（0 除以 0，或者 0 乘以无穷大）

13. 怎样理解 Number 类

  • Number 类是一个抽象类
  • Number 类是 6 种数值类型包装类的父类

14. 怎样理解包装类的不可变性

  • 包装类都是不可变类
  • 所谓不可变：指实例对象一旦创建，就没有办法修改了

15. 包装类的不可变性是怎样实现的

  • 是通过下面三种方式强制实现的
    1. 所有包装类都声明为了 final，不能被继承
    2. 内部基本类型值是私有的，且声明为了 final
    3. 没有定义 setter 方法

16. 为什么要把包装类定义成不可变类

  • 不可变使得程序更为简单安全，因为不用操心数据被意外改写的可能
  • 可以安全地共享数据，尤其是在多线程的环境下

17. 怎样理解 Integer 类的位翻转二进制操作

  • 位翻转：将 int 当做二进制，左边的位与右边的位进行互换
  • Integer 有两个静态方法
    • public static int reverse(int i); //按位进行互换
    • public static int reverseBytes(int i); //按字节进行互换
  • reverseBytes(int i) 方法内部实现：通过左移、右移、与操作、或操作，达到字节翻转的目的

18. 怎样理解 reverse(int i) 方法源码

  • 代码第一行是一个注释：// HD，Figure 7-1
    • HD 表示的是一本书，书名为《Hacker’s Delight》，中文版为《算法心得：高效算法的奥秘》（这翻译的中文名真不geek）
    • HD 是这本书的缩写，Figure 7-1 是书中的图 7-1，reverse(int i) 的代码就是复制了这本书中图 7-1 的代码。
  • 高效实现位翻转的基本思路：首先交换相邻的单一位，然后以两位为一组，再交换相邻的位，接着是 4 位一组、然后是 8 位、16位，16位之后就完成了。这个思路不仅适用于二进制，而且适用于十进制

19. reverse(int i) 代码为什么要写得这么晦涩，或者说不能用更容易理解的方式写吗。比如，实现翻转，一种常见的思路是：第一个和最后一个交换，第二个和倒数第二个交换，直到中间两个交换完成

  • 如果数据不是二进制，这个思路是好的，但对于二进制，这个思路实现的效率比较低
  • CPU 指令并不能高效地操作单个位，它操作的最小数据单位一般是 32 位（32位机器）。另外，CPU 可以高效地实现移位和逻辑运算，但实现加、减、乘、除运算则比较慢
  • reverse(int i) 是在充分利用 CPU 的这些特性，并行高效地进行相邻位的交换。也可以通过其他更容易理解的方式实现相同功能，但很难比这个代码更高效

20. 怎样理解 valueOf() 方法的实现

  • 方法内部使用了 IntegerCache，这是一个私有静态内部类
  • IntegerCache 表示 Integer 缓存，其中的 cache 变量是一个静态的 Integer 数组，在静态初始化代码块中被初始化。默认情况下，保存了 -128 ~ 127 共 256 个整数对应的 Integer 对象
  • 在 valueOf() 代码中，如果数值位于被缓存的范围，即默认 -128 ~ 127，则直接从 IntegerCache 中获取已预先创建的 Integer 对象。因为这个范围的数字使用频率较高，只有不在缓存范围时，才通过 new 创建对象
  • 通过共享常用对象，可以节省内存空间，由于 Integer 是不可变的，所以缓存的对象可以安全地被共享。Boolean、Byte、Short、Long、Character 都有类似的实现
  • 这种共享常用对象的思路，是一种常见的设计模式，叫享元模式。英文叫 Flyweight，即共享的轻量级元素

21. 怎样理解 Unicode

  • Unicode 给世界上每个字符都分配了一个编号，编号范围为：0x000000 ~ 0x10FFFF
    • 常用字符集（BMP: Basic Multilingual Plane）：编号范围在 0x0000 ~ 0xFFFF 的字符
    • 增补字符（supplementary character）：编号范围在 0x10000 ~ 0x10FFFF 的字符
    • Unicode 主要规定了编号，但没有规定如何把编号映射为二进制
  • UTF-16 是一种编码方式，或者叫映射方式，它将编号映射为 2 个或 4 个字节。对 BMP 字符，它直接用两个字节表示，对于增补字符，使用 4 个字符表示
    • 前两个字节叫高代理项（high surrogate），范围为 0xD800 ~　0xDBFF；后两个字节叫低代理项（low surrogate），范围为 0xDC00 ~　0xDFFF
    • UTF-16 定义了一个公式，可以将编号与 4 字节表示进行相互转换
  • Java 内部采用 UTF-16 编码，char 表示一个字符，但只能表示 BMP 中的字符，对于增补字符，需要使用两个 char 表示，一个表示高代理项，一个表示低代理项
    • 使用 int 可以表示任意一个 Unicode 字符，低 21 位表示 Unicode 编号，高 11 位设为 0
    • 整数编号在 Unicode 中一般称为代码点（code point），表示一个 Unicode 字符；与之相对，还有一个词代码单元（code unit）表示一个 char
  • Unicode 在给每个字符分配一个编号之外，还分配了一些属性。Character 类封装了对 Unicode 字符属性的检查和操作。Unicode 给每个字符分配了一个类型
    • 需要注意的是，不光字符 '0'、'1'、……、'9' 是数字，中文全角字符的 0 ~ 9 也是数字
    • 更常用的检查空格的方法：pubilc static boolean isWhitespace(int codepoint)，不仅能匹配空格字符本身，还能匹配实际产生空格效果的字符，如 Tab 控制键'\t'、'\n'、全角空格＇　＇ 和 半角空格' ' 的返回值都为 true

22. 怎样理解 Java 标识符

  • Java 标识符：是 Java 中的变量名、方法名、类名等
  • 字母（Alphabetic）、美元符号（$）、下划线（_）可以作为 Java 标识符的第一个字符，但数字字符不可以
  • Java 标识符的中间字符可以包含数字

23. Character 类的作用

  • Character 有很多静态方法，封装了 Unicode 字符级别（而非 char 级别）的各种操作，是 Java 文本处理的基础
  • 通过将字符处理的细节交给 Character 类，其他类就可以在更高的层次上处理文本了
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