【解惑】让人头疼的"相等"关系

Java中判断相等关系一般有两种手段：(1) “==”关系操作符  (2) equals()方法。 显然，基本数据类型变量之间只能用"=="。而对象之间两种手段都是合法的。但是有很多初学者会在“判断Java的相等关系”上面犯错误，这里我们在JVM运行层面上彻底剖析其中的奥秘。如果你对JVM规范不太了解的话，在看本文前请先了解一下JVM运行程序时，在内存中管理的五个运行时数据区，特别是堆和Java栈方面的知识(参见《Java 虚拟机体系结构 》) 。

 

★ “==”运算符的比较本质

 

      先来看看两段源代码：

//代码1：整型包装器的"=="比较
Integer n1=new Integer(1); 
Integer n2=new Integer(1);
if(n1==n2); //false

//代码2：整型变量的"=="比较
int n3=1;
int n4=1;
if(n3==n4); //true 

      代码1的结果让我们感到意外。但在解释这个现象之前，我们首先阐明一个重要的知识点：

      JVM运行Java程序，会在内存中会开辟一块叫做“堆 ” 的运行时数据区。在运行过程中所有创建的类对象都存放在这块区域中(准确来说是类的非静态非常量实例数据都存放在堆中)。更重要的是，这些对象的堆空间都有自己的地址，这些地址就是我们常说的 对象引用 。不管是在方法区中还是在Java栈中，存储的都是对象引用，并非对象中的数据。

 

      下面我们看看上面两段代码在JVM中所对应的执行指令：

0 new java.lang.Integer [16] //在堆中分配一个Integer对象n1的空间，并将对象引用(堆地址)压入操作数栈 
3 dup //复制对象n1的引用压入操作数栈 
4 iconst_1 //将一个整型长度的常量1压入操作数栈
5 invokespecial java.lang.Integer(int) [18] //弹出整型常量1和对象n1的引用，对堆中对象n1的实例数据进行初始化 
8 astore_1 [n1] //弹出对象n1的引用，并将其保存在局部变量区的第1个位置上。 
9 new java.lang.Integer [16] //对象n2同上 
12 dup 
13 iconst_1 
14 invokespecial java.lang.Integer(int) [18] 
17 astore_2 [n2] //将对象n2的引用保存在局部变量区的第2个位置上 
18 aload_1 [n1] //将局部变量1中的n1对象引用压入操作数栈 
19 aload_2 [n2] //将局部变量2中的n2对象引用压入操作数栈 
20 if_acmpne 23 //弹出操作数栈的n1,n2的引用，并比较这两个引用值是否相等。 
22 return

0 iconst_1 // 将整型常量1压入操作数栈。 
1 istore_3 [n3] //弹出刚压入栈的整型常量1，将其存储在局部变量区的第3个位置上 
2 iconst_1 // 将整型常量1压入操作数栈。 
3 istore 4 [n4] //弹出刚压入栈的整型常量1，将其存储在局部变量区的第4个位置上 
5 iload_3 [n3] //将局部变量3中的整型常量1压入操作数栈 
6 iload 4 [n4] //将局部变量3中的整型常量2压入操作数栈 
8 if_icmpne 34 //弹出刚压入栈的两个整型常量，并比较这两个整型常量是否相等。 
11 return

      从代码1的字节码指令可以看出，整型包装器对象n1和n2比较的是对象引用(指令：if_acmpne 23)，两个对象在堆中是两块不同的空间，自然地址是不相同的。

      而代码2的字节码指令可以看出，整型变量n3和n4比较的是整型常量值，都是1，自然是相同的。

 

 

★  equals方法的比较本质

 

      还是来看一段源代码：

Integer n1=new Integer(1); 
Integer n2=new Integer(1);
if(n1.equals(n2)); //true

      下面是<Integer> equals(Object obj)方法源代码，比较的是整型值。

public boolean equals(Object obj) {
     if (obj instanceof Integer) { 
           return value == ((Integer)obj).intValue(); 
     }
     return false; 
}

      是不是equals方法比较的都是对象的数据值呢？这当然和对象所属的类的equals方法是如何实现的有很大关系。我们再看看一段代码：

Value v1=new Value(1); //Value是自定义类，其中并没有定义equals()方法。
Value v2=new Value(1); 
if(v1.equals(v2)); //false

      Java中Object是所有类的祖先，既然Value没有定义equals()方法。那么上面代码调用的自然是Object的equals()方法。我们看看<Object> equals(Object obj)方法源码，用"=="比较对象的引用。

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

      如果我们想通过equals方法来达到比较对象中数据值的目的，就必须在指定类中自己实现equals方法来覆盖掉Object的equals方法。千万切忌，如果不覆盖，equals方法的默认行为仍然是比较对象引用。

 

 

 

通过上面，我们已经对"=="和"equals"的本质有了清晰地认识，但匪夷所思的事情仍然会发生。

 

1、String类型的特殊性造成的“相等比较”疑惑

     再看看两段源代码：

String s1=new String("aaaa"); 
String s2=new String("aaaa"); 
if(s1==s2); //false 
if(s1.equals(s2)); //true

String s3="aaaa"; 
String s4="aaaa"; 
if(s3==s4); // true 
if(s3.equals(s4)); //true

     代码4很好理解，但代码5有点让人困惑。在解释之前我们要先明确几个问题：
     (1) String是类，而并非基本数据类型。s1,s2都是对象实例，而并非基本数据变量。

     (2) String s3="aaaa"; 是一种比较特殊的对象创建方法。它涉及到JVM管理方法区中常量池 和拘留字符串对象 的相关问题。在《String in Java 》一文中有详细的总结。

     下面查看代码5中"=="比较字符串对象在JVM运行时对应的指令：

0  ldc <String "aaaa"> [13]  //将常量池中"aaa"字符串常量指向的堆中拘留String对象的地址压入操作数栈
2  astore_1  //弹出栈顶值，并将其存储在局部变量区的第1个位置上
3  ldc <String "aaaa"> [13]  //将常量池中"aaa"字符串常量指向的堆中拘留String对象的地址压入操作数栈
5  astore_2  //弹出栈顶值，并将其存储在局部变量区的第2个位置上
6  aload_1 //将局部变量1压入操作数栈
7  aload_2 //将局部变量2压入操作数栈
8  if_acmpne 11  //弹出两个栈顶值进行比较

      很显然，"=="仍然比较的是地址。但是由于压入操作数栈的是字符串常量"aaa"所指向的同一个拘留String对象的地址。因此s3和s4保存的是相同的地址，自然"=="的比较结果也是相同的。

2、Integer类型的自动打包 (autoboxing)机制造成的“相等比较”疑惑

     继续看两段代码

Integer a=127;
Integer b=127; 
if(a==b); //结果：true

Integer c=128;
Integer d=128; 
if(c==d); //结果：false

      代码6和代码7几乎一样的语句竟然有不同的结果，实在是很困惑。在解释这个问题前仍然要阐明几点：
      (1) 源代码中的a、b、c、d并非整型变量，而是整型包装器对象。这一点是肯定。
      (2) Integer a=127;这种定义形式比较特殊。原因是编译过程中，编译器做了点小动作。它会自动调用Integer.valueOf(int)方法将整型常量127 打包 (autoboxing)成包装器类。我们叫做自动包装机制 。也就是说JVM运行的是Integer a=Integer.valueOf(127)；这条语句。

 

     但还是没有解决代码7，8不同的疑惑呀？下面我们来看看Integer.valueOf(int)的源代码：

/**
 * Returns a <tt>Integer</tt> instance representing the specified
 * <tt>int</tt> value.
 * If a new <tt>Integer</tt> instance is not required, this method
 * should generally be used in preference to the constructor
 * {@link #Integer(int)}, as this method is likely to yield
 * significantly better space and time performance by caching
 * frequently requested values.
 *
 * @param i an <code>int</code> value.
 * @return a <tt>Integer</tt> instance representing <tt>i</tt>.
 * @since 1.5
 */

public static Integer valueOf(int i) {
      final int offset = 128;
      if (i >= -128 && i <= 127) { // must cache
           return IntegerCache.cache[i + offset];
      }
      return new Integer(i);
}
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);
      }
}

 

      看看Integer的源代码就知道了，其实Interger把 -128~127之间的每一个值都建立了一个对应的Integer对象，并将这些对象组织成cache数组，类似一个缓存。 这个缓存数组中的Integer对象是可以安全复用的。也就是Integer a=127;和Integer b=127;中的引用a,b都是缓存数组中new Integer(127)对象的地址。所以代码6中的a==b自然是true。
     但要注意了，缓存数组只存储-128~127之间的Integer对象。对于其他的值的整形包装器，比如代码7中的Integer c,d=128分别在堆中创建了两个完全不同的Integer对象用来存储128。两个对象的地址都不一样。
     这里提一点：如果是Integer a=new Integer(127);这种常规形式创建的Integer是没有cache数组的。只有Integer a=127或Integer a=Integer.valueOf(127)这样的方式才能使用上cache数组。而且包装器的整形值在-128~127之间。

      实际上，这个小技巧对于初学者来说确实造成了麻烦。但是它却是Java性能优化上的一个重要的应用。我们都知道在堆中不停的开辟新对象需要很大的代价。当我们需要大量值在-128~127范围内的整型对象的时候，这样一个cache缓存减少了大量对象的创建，效率提升时可想而知的。