• JAVA源码之JDK(二)——Integer、Long、Double


      这篇文章继续java.lang包下的源码学习,笔者也是找了几个比较常用的来阅读。下面针对Integer、Long、Double这样的基本类型的封装类,记录一些比较经典、常用的方法的学习心得,如toString()、parseInt()等。


    java.lang.Integer

    1. public static String toString(int i)

      说起toString(),这是从Object类中继承过来的,当然,如果我们不重写,那么返回的值为ClassName + "@" + hashCode的16进制。那么,如果是我们自己,要怎么实现呢。笔者这里想到的办法是循环对10求余,得到对应的char型数组后就得到了字符串。那么我们来看看JDK中高手是怎么写的,以下是10进制的【10进制的与其它的是不一样的】。

    1 public static String toString(int i) {
    2     if (i == Integer.MIN_VALUE)
    3         return "-2147483648";
    4     int size = (i < 0) ? stringSize(-i) + 1 : stringSize(i);
    5     char[] buf = new char[size];
    6     getChars(i, size, buf);
    7     return new String(0, size, buf);
    8 }
     1 static void getChars(int i, int index, char[] buf) {
     2     int q, r;
     3     int charPos = index;
     4     char sign = 0;
     5 
     6     if (i < 0) { 
     7         sign = '-';
     8         i = -i;
     9     }
    10 
    11     // Generate two digits per iteration
    12     while (i >= 65536) {
    13         q = i / 100;
    14     // really: r = i - (q * 100);
    15         r = i - ((q << 6) + (q << 5) + (q << 2));
    16         i = q;
    17         buf [--charPos] = DigitOnes[r];
    18         buf [--charPos] = DigitTens[r];
    19     }
    20 
    21     // Fall thru to fast mode for smaller numbers
    22     // assert(i <= 65536, i);
    23     for (;;) { 
    24         q = (i * 52429) >>> (16+3);
    25         r = i - ((q << 3) + (q << 1));  // r = i-(q*10) ...
    26         buf [--charPos] = digits [r];
    27         i = q;
    28         if (i == 0) break;
    29     }
    30     if (sign != 0) {
    31         buf [--charPos] = sign;
    32     }
    33 }
    //笔者注:取出十位数的数字。
    final static char [] DigitTens = {
    '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0',
    '1', '1', '1', '1', '1', '1', '1', '1', '1', '1',
    '2', '2', '2', '2', '2', '2', '2', '2', '2', '2',
    '3', '3', '3', '3', '3', '3', '3', '3', '3', '3',
    '4', '4', '4', '4', '4', '4', '4', '4', '4', '4',
    '5', '5', '5', '5', '5', '5', '5', '5', '5', '5',
    '6', '6', '6', '6', '6', '6', '6', '6', '6', '6',
    '7', '7', '7', '7', '7', '7', '7', '7', '7', '7',
    '8', '8', '8', '8', '8', '8', '8', '8', '8', '8',
    '9', '9', '9', '9', '9', '9', '9', '9', '9', '9',
    };
    //笔者注:取出个位数的数字。
    final static char [] DigitOnes = { 
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
    };
    final static char[] digits = {
    '0' , '1' , '2' , '3' , '4' , '5' ,
    '6' , '7' , '8' , '9' , 'a' , 'b' ,
    'c' , 'd' , 'e' , 'f' , 'g' , 'h' ,
    'i' , 'j' , 'k' , 'l' , 'm' , 'n' ,
    'o' , 'p' , 'q' , 'r' , 's' , 't' ,
    'u' , 'v' , 'w' , 'x' , 'y' , 'z'
    };
    上面的代码用到的静态常量数组
    • 先来对getChars()进行分析:

    这里1223行的两处循环,分别对int型的高位的两个字节、低位的两个字节进行遍历。【为什么呢,且看下文

      首先对于15行的代码,如果没有上面的注释笔者可能想不出来是什么意思。q*100=q*(26+25+22),乘法原来可以这样的【但笔者写了main方法测试了一下,两种方式在计算时间上没什么差别,可能是我的测试方式有问题,具体效率会高多少,目前还不清楚】。13-15行的意义便是进行求余的思想,不过这里是对100进行求余,每次找出两位数,这样有效的减少了乘除法的次数【高手就是高手】。

      对于低位的循环,同样也是求余,但这里连除法都用是另一种形式。第24行的意思是:q=i*(52429/216)/23≈≈i*0.1【好吧,笔者也没测出效率高多少】。因为这里要用i*52429>>16更精确的表示乘以十分之八的作用,而高位的两个字节的数再乘会溢出,所以源码里进行了高位与低位用两种方式分开循环。

    最后是符号的判断,这里就不多说了。

    • 再来对toString(int i)进行分析:

      这里有一处对Integer.MIN_VALUE的判断,只有读完了getChars的代码才会知道,原来第8行的i=-i,对于i=Integer.MIN_VALUE是会益处的。源码中也有相关注释【Will fail if i == Integer.MIN_VALUE】。

    2. public static String toString(int i, int radix)

      对于toString(int i, int radix):以传入的基数radix转换成字符串,这里是用真正的求余运算i % radix来实现的【笔者暗爽,居然有了高手想法】,但需要注意的是:为防止溢出,这里是用负数来进行运算的。源码很简单,这里不再赘述,请自行阅读。

    3.public static int parseInt(String s, int radix)

    这个方法当时看得笔者头大,尤其是char类型转成int型那段代码。以下是源码:

     1 public static int parseInt(String s, int radix) throws NumberFormatException {
     2     if (s == null) {
     3         throw new NumberFormatException("null");
     4     }
     5 
     6     if (radix < Character.MIN_RADIX) {
     7         throw new NumberFormatException("radix " + radix +
     8                         " less than Character.MIN_RADIX");
     9     }
    10 
    11     if (radix > Character.MAX_RADIX) {
    12         throw new NumberFormatException("radix " + radix +
    13                         " greater than Character.MAX_RADIX");
    14     }
    15 
    16     int result = 0;
    17     boolean negative = false;
    18     int i = 0, max = s.length();
    19     int limit;
    20     int multmin;
    21     int digit;
    22 
    23     if (max > 0) {
    24         if (s.charAt(0) == '-') {
    25             negative = true;
    26             limit = Integer.MIN_VALUE;
    27             i++;
    28         } else {
    29             limit = -Integer.MAX_VALUE;
    30         }
    31         multmin = limit / radix;
    32         if (i < max) {
    33             digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix);
    34             if (digit < 0) {
    35                 throw NumberFormatException.forInputString(s);
    36             } else {
    37                 result = -digit;
    38             }
    39         }
    40         while (i < max) {
    41             // Accumulating negatively avoids surprises near MAX_VALUE
    42             digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix);
    43             if (digit < 0) {
    44                 throw NumberFormatException.forInputString(s);
    45             }
    46             if (result < multmin) {
    47                 throw NumberFormatException.forInputString(s);
    48             }
    49             result *= radix;
    50             if (result < limit + digit) {
    51                 throw NumberFormatException.forInputString(s);
    52             }
    53             result -= digit;
    54         }
    55     } else {
    56         throw NumberFormatException.forInputString(s);
    57     }
    58     if (negative) {
    59         if (i > 1) {
    60             return result;
    61         } else {    /* Only got "-" */
    62             throw NumberFormatException.forInputString(s);
    63         }
    64     } else {
    65         return -result;
    66     }
    67 }

      如果放弃第33行的digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix) 而单纯的理解为:得到char型代表的真实的数字【如'3'就是代表3、'A'在更高的进制里表示10】。那么理解parseInt会容易得多。大致思路就是:由左至右遍历String的每个char,乘以对应的radix加上后面的数即可。如对于十进制:1234 = ((1 × 10 + 2) × 10 + 3) × 10 + 4。

    • 先来总结一些笔者理解到的重点:

    首先所有的运算都是基于负数的。在toString也提到过,因为将Integer.MIN_VALUE直接变换符号会导致数值溢出。

    然后就是第31行的multmin = limit / radix这个数的控制,可以在乘法计算之前可判断计算之后是否溢出。同理,第50行可在减法之前判断计算后是否溢出。

    • 再来简单说说Character.digit(s.charAt(i++),radix):

      对于≥0且≤255的char型,是由一个int A[] = int[256]的数字数组来对应的【对于>255的我也没看懂】。数组中每个int都是有两个2字节字符组成的,前面2个字节表示参与计算的值,后面2个字节表示这个字符属于什么种类,这个种类也是经过取二进制最后5位数得到的。如表示数字的char型'0'~'9',ascII是48~57,那么int数组中的A[48~57]位的每个int数的后2个字节存的是\u3609,与0x1F做按位与,即二进制最后5位数,得到9,这个就表示的就是数字,是由Character.DECIMAL_DIGIT_NUMBER这个静态常量定义的,除此之外,还有Character.LETTER_NUMBER表示字符数字等等。并且前面2个字节参与计算的公式为:

    value = ch + ((val & 0x3E0) >> 5) & 0x1F;

      这个value就是最终得到的数值,val是int数组中对应的数。

      总之其目的就是通过char类型'3'或'A',得到其表示的数值3和10。如果这里没看懂的可以忽略,其实笔者也只是看到的一个表面现象,至于为什么要怎么做,还得请大神来解答。

    并且在获取A[]中的数时,中间还有这样的强转,笔者这里也是完全不明白这么做的意义。代码如下:

    static int getProperties(int ch) {
        char offset = (char)ch;
        int props = A[offset];
        return props;
    }

    4.Integer的缓存

    最后来说说cache,为提高效率,JDK将[-128,127]之间的这些常用的int值的Integer对象进行了缓存。这是通过一个静态内部类来实现的。代码如下:

     1 private static class IntegerCache {
     2     private IntegerCache(){}
     3 
     4     static final Integer cache[] = new Integer[-(-128) + 127 + 1];
     5 
     6     static {
     7         for(int i = 0; i < cache.length; i++)
     8         cache[i] = new Integer(i - 128);
     9     }
    10 }
    想一想这里为什么会用静态内部类,想明白了以后是不是觉得自己又提升了一点呢。

    这也就解释了为什么会有如下的结果:

    1 Integer a1 = Integer.valueOf(13);
    2 Integer a2 = Integer.valueOf(13);
    3 Integer a3 = Integer.valueOf(133);
    4 Integer a4 = Integer.valueOf(133);
    5 System.out.println(a1 == a2);
    6 System.out.println(a3 == a4);
    true
    false
    猜一猜输出结果是什么

    java.lang.Long

    好吧,我承认,这与Integer如出一辙。cache值也是[-128-127]。写这个是多余的。


    java.lang.Double

       很惭愧,源码看不懂,跟到里面有些甚至是native方法,那只好这里记录一下double类型的存储原理了。

      总所周知,JAVA中double与long都占8个字节,但double的值域却比long大得多得多。Double.MAX_VALUE = 0x1.fffffffffffffP+1023,接近于21023。那如此庞大的数是怎么存的呢。这里会用到指数,即在64位二进制码中,一部分表示数字的值,一部分表示指数数值。就像十进制中的3.14,可以表示为:314×10-2

    单精度浮点型用8位表示指数数值,其中一位是符号位。其余23位表示数字,1位表示符号。

    双精度浮点型用11位表示指数数值,其中一位是符号位。其余52位表示数字,1为表示符号。

    例如:

    十进制数0.5等于2-1,它的存储形式是,数字部分符号位为0,数字部分为10,指数符号位为1,指数数值部分为1。

    十进制数-3.125等于21+20+2-1+2-3,整数部分为11,小数部分为101,所以它的存储形式是,数字部分符号位为1,数字部分为11101,指数符号位为1,指数数值部分为11。即11101×2-3

    如果遇到无限个小数位的数值时,就会截掉可表示的数字的后面的部分,由此可见,指数数值部分越多,表示的浮点型精度就越大。


    OK,本次的学习记录就到这里。

    学习是件快乐而又有成就感的事。

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