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。

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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】。

public static String toString(int i) {
    if (i == Integer.MIN_VALUE)
        return "-2147483648";
    int size = (i < 0) ? stringSize(-i) + 1 : stringSize(i);
    char[] buf = new char[size];
    getChars(i, size, buf);
    return new String(0, size, buf);
}

static void getChars(int i, int index, char[] buf) {
    int q, r;
    int charPos = index;
    char sign = 0;

    if (i < 0) { 
        sign = '-';
        i = -i;
    }

    // Generate two digits per iteration
    while (i >= 65536) {
        q = i / 100;
    // really: r = i - (q * 100);
        r = i - ((q << 6) + (q << 5) + (q << 2));
        i = q;
        buf [--charPos] = DigitOnes[r];
        buf [--charPos] = DigitTens[r];
    }

    // Fall thru to fast mode for smaller numbers
    // assert(i <= 65536, i);
    for (;;) { 
        q = (i * 52429) >>> (16+3);
        r = i - ((q << 3) + (q << 1));  // r = i-(q*10) ...
        buf [--charPos] = digits [r];
        i = q;
        if (i == 0) break;
    }
    if (sign != 0) {
        buf [--charPos] = sign;
    }
}

//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'
};

• 先来对getChars()进行分析：

这里12行与23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)/2^3≈≈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：

public static int parseInt(String s, int radix) throws NumberFormatException {
    if (s == null) {
        throw new NumberFormatException("null");
    }

    if (radix < Character.MIN_RADIX) {
        throw new NumberFormatException("radix " + radix +
                        " less than Character.MIN_RADIX");
    }

    if (radix > Character.MAX_RADIX) {
        throw new NumberFormatException("radix " + radix +
                        " greater than Character.MAX_RADIX");
    }

    int result = 0;
    boolean negative = false;
    int i = 0, max = s.length();
    int limit;
    int multmin;
    int digit;

    if (max > 0) {
        if (s.charAt(0) == '-') {
            negative = true;
            limit = Integer.MIN_VALUE;
            i++;
        } else {
            limit = -Integer.MAX_VALUE;
        }
        multmin = limit / radix;
        if (i < max) {
            digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix);
            if (digit < 0) {
                throw NumberFormatException.forInputString(s);
            } else {
                result = -digit;
            }
        }
        while (i < max) {
            // Accumulating negatively avoids surprises near MAX_VALUE
            digit = Character.digit(s.charAt(i++),radix);
            if (digit < 0) {
                throw NumberFormatException.forInputString(s);
            }
            if (result < multmin) {
                throw NumberFormatException.forInputString(s);
            }
            result *= radix;
            if (result < limit + digit) {
                throw NumberFormatException.forInputString(s);
            }
            result -= digit;
        }
    } else {
        throw NumberFormatException.forInputString(s);
    }
    if (negative) {
        if (i > 1) {
            return result;
        } else {    /* Only got "-" */
            throw NumberFormatException.forInputString(s);
        }
    } else {
        return -result;
    }
}

　　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：

private static class IntegerCache {
    private IntegerCache(){}

    static final Integer cache[] = new Integer[-(-128) + 127 + 1];

    static {
        for(int i = 0; i < cache.length; i++)
        cache[i] = new Integer(i - 128);
    }
}

这也就解释了为什么会有如下的结果：

Integer a1 = Integer.valueOf(13);
Integer a2 = Integer.valueOf(13);
Integer a3 = Integer.valueOf(133);
Integer a4 = Integer.valueOf(133);
System.out.println(a1 == a2);
System.out.println(a3 == a4);

true
false

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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。

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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。

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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。