Javaにおける完全なキャッシュメカニズム

英文原文:Java Integer Cache翻訳アドレス:Javaにおける完全なキャッシュメカニズム原文著者:Java Papers翻訳著者:Hollis転載出典を明記してください.
JavaでのIntegerのキャッシュに関する知識について説明します.これは、Java 5に導入されたメモリの節約やパフォーマンスの向上に役立つ機能です.まず、Integerを使用するコードの例を見て、キャッシュの動作を学びます.次に、私たちはなぜこのように実現したのか、そして彼がどのように実現したのか.次のJavaプログラムの出力結果を推測できますか.もしあなたの結果が本当の結果と違うなら、本文をよく見なければなりません.

package com.javapapers.java;

public class JavaIntegerCache {
    public static void main(String... strings) {

        Integer integer1 = 3;
        Integer integer2 = 3;

        if (integer1 == integer2)
            System.out.println("integer1 == integer2");
        else
            System.out.println("integer1 != integer2");

        Integer integer3 = 300;
        Integer integer4 = 300;

        if (integer3 == integer4)
            System.out.println("integer3 == integer4");
        else
            System.out.println("integer3 != integer4");

    }
}

上記の2つの判断の結果はfalseであると一般的に考えられている.比較の値は等しいが,比較はオブジェクトであり,オブジェクトの参照が異なるため,両if判定ともfalseであると考えられる.Javaでは、==がオブジェクトアプリケーションを比較し、equalsが値を比較します.したがって、この例では、異なるオブジェクトには異なる参照があるため、比較を行うときにfalseが返されます.奇妙なことに、ここで2つの類似したif条件判断は、異なるブール値を返す.
上記のコードの実際の出力結果は、次のとおりです.

integer1 == integer2
integer3 != integer4

JavaにおけるIntegerのキャッシュ実装
Java 5では、メモリを節約し、パフォーマンスを向上させるためにIntegerの操作に新しい機能が導入されています.整数オブジェクトは、同じオブジェクトリファレンスを使用してキャッシュと再利用を実現します.
整数値区間-128から+127に適用されます.
自動梱包にのみ適しています.コンストラクション関数を使用してオブジェクトを作成することはできません.
Javaのコンパイラが基本データ型を自動的にカプセル化クラスオブジェクトに変換するプロセスを と呼び、valueOfメソッドを使用することに相当します.

Integer a = 10; //this is autoboxing
Integer b = Integer.valueOf(10); //under the hood

このメカニズムがソースコードでどこで使われているかが分かったので,JDKにおけるvalueOf法を見てみよう.次に、JDK 1.8.0 build 25の実装を示します.

/**
     * Returns an {@code Integer} instance representing the specified
     * {@code int} value.  If a new {@code Integer} 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.
     *
     * This method will always cache values in the range -128 to 127,
     * inclusive, and may cache other values outside of this range.
     *
     * @param  i an {@code int} value.
     * @return an {@code Integer} instance representing {@code i}.
     * @since  1.5
     */
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

オブジェクトを作成する前にIntegerCache.cacheから探します.見つからない場合はnewを使用して新しいオブジェクトを作成します.
IntegerCache Class
IntegerCacheはIntegerクラスで定義されたprivate staticの内部クラスです.次に彼の定義を見てみましょう.

  /**
     * Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between
     * -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.
     *
     * The cache is initialized on first usage.  The size of the cache
     * may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=} option.
     * During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property
     * may be set and saved in the private system properties in the
     * sun.misc.VM class.
     */

    private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            // high value may be configured by property
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                    h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                } catch( NumberFormatException nfe) {
                    // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
                }
            }
            high = h;

            cache = new Integer[(high - low) + 1];
            int j = low;
            for(int k = 0; k < cache.length; k++)
                cache[k] = new Integer(j++);

            // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
            assert IntegerCache.high >= 127;
        }

        private IntegerCache() {}
    }

javadocの詳細は、キャッシュサポート-128～127間の自動梱包プロセスを説明しています.最大値127は、-XX:AutoBoxCacheMax=sizeによって変更することができる.キャッシュはforサイクルで実現されます.低い値から高い値まで、可能な限り多くの整数を作成し、整数配列に格納します.このキャッシュはIntegerクラスが初めて使用されたときに初期化されます.その後、新しいインスタンスを作成するのではなく、キャッシュに含まれるインスタンスオブジェクトを使用できます(自動梱包の場合).
実際にこの機能がJava 5に導入された場合、範囲は固定の-128から+127である.その後、Java 6では、java.lang.Integer.IntegerCache.highで最大値を設定することができます.これにより、アプリケーションの実際の状況に応じて柔軟に調整してパフォーマンスを向上させることができます.いったい何が原因でこれ-128から127の範囲を選んだのでしょうか.この範囲の数字が最も広く使われているからです.プログラムでは、初めてIntegerを使用する場合も、このキャッシュを初期化するのに時間がかかります.
Java言語仕様でのキャッシュ動作
Boxing ConversionセクションのJava言語仕様(JLS)は、次のように規定されています.
変数pの値が次の場合:
-128～127の整数(§3.10.1)
trueとfalseのブール値(§3.10.3)
‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘’’’’’’の間の文字(§3.10.4)
の場合、pをaとbの2つのオブジェクトに包装する場合、a=bを直接使用してaとbの値が等しいかどうかを判断することができます.
その他のキャッシュされたオブジェクト
このキャッシュ動作はIntegerオブジェクトだけではありません.すべての整数タイプのクラスに対して同様のキャッシュメカニズムがあります.
ByteCacheは、Byteオブジェクトをキャッシュするために使用されます.
ShortCacheはShortオブジェクトをキャッシュするために使用されます
LongオブジェクトをキャッシュするためのLongCacheがある
CharacterオブジェクトをキャッシュするCharacterCacheがあるByte、Short、Longには、固定範囲:-128～127があります.Characterの場合、範囲は0～127です.Integerを除いて、この範囲は変更できません.