Java 7源码分析第3篇 - Java数值类型

这一篇主要介绍Java中经常使用的整数类型 - Integer

首先来说一下位运算，位运算应用是非常广的。无论是名企的笔试、面试，还是Java的源代码，这种应用随处可见。关于位运算我不想说太多，可以给大家推荐一篇非常不错的博文，地址如下：

http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7354571

同样，在Integer.java类的源代码中，Java的设计师们为了提高效率使用了大量的位运算，首先来看一个简单的进制转换源代码：

    //无符号整数 16进制，向右移动4位
    public static String toHexString(int i) {
        return toUnsignedString(i, 4);
    }
    //无符号整数 8进制,向右移动3位
    public static String toOctalString(int i) {
        return toUnsignedString(i, 3);
    }
   //无符号整数  2进制，向右移动2位
    public static String toBinaryString(int i) {
        return toUnsignedString(i, 1);
    }
    // 对无符号整数进行转换
    private static String toUnsignedString(int i, int shift) {
        char[] buf = new char[32];
        int charPos = 32;
        int radix = 1 << shift;
        int mask = radix - 1;
        do {
            buf[--charPos] = digits[i & mask];
            i >>>= shift;//i=i>>>shift
        } while (i != 0);

        return new String(buf, charPos, (32 - charPos));
    }

可以看一下对于10进制无符号整数的进制转换。由于缺少边界等的检查，所以toUnsignedString()方法并没有公开，而是提供了多个常用进制转换的方法。最后返回了转换后的字符串表示形式。至于源码中为什么要定义一个32的字符数组后面将会分析到。

我们知道，Java中的int数值类型占用4个字节，有时候需要对表示一个int数值的4个字节做一些特殊的处理，如字节反转、位反转等，源代码如下：

 // 将4个字节的顺序进行逆转，并不是对位进行逆转
    public static int reverseBytes(int i) {
        return ((i >>> 24)           ) |
               ((i >>   8) &   0xFF00) |
               ((i <<   8) & 0xFF0000) |
               ((i << 24));
    }
    // 对位进行逆转
    public static int reverse(int i) {
        // HD, Figure 7-1
        i = (i & 0x55555555) << 1 | (i >>> 1) & 0x55555555;
        i = (i & 0x33333333) << 2 | (i >>> 2) & 0x33333333;
        i = (i & 0x0f0f0f0f) << 4 | (i >>> 4) & 0x0f0f0f0f;
        i = (i << 24) | ((i & 0xff00) << 8) |
            ((i >>> 8) & 0xff00) | (i >>> 24);
        return i;
    }

大家可以好好研究一下如上的代码是怎么实现他们的功能的。继续看下面的两个方法：

   public static int highestOneBit(int i) {
        // HD, Figure 3-1
        i |= (i >>  1);
        i |= (i >>  2);
        i |= (i >>  4);
        i |= (i >>  8);
        i |= (i >> 16);
        return i - (i >>> 1);
    }   
    public static int lowestOneBit(int i) {
        return i & -i;
    }

highestOneBit()作用是取 i 这个数的二进制形式最左边的最高一位且高位后面全部补零，最后返回int型的结果。而lowestOneBit()自然就是取最右边的第一位1，其前面全部置0后的结果。代码类中还提供了其他的一些方法，这些方法也大量用到了位操作，有兴趣的可以自己去看一下。
来看一下类中的其他重要的方法。

 // 如下的这些ASCII字符可能会表示为数字.26个字符和10个数字，加起来是36
    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'
    };

    public static String toString(int i, int radix) {
         // 基数的取值必须在一个范围
        if (radix < Character.MIN_RADIX || radix > Character.MAX_RADIX)
            radix = 10;
        /* Use the faster version */
        if (radix == 10) {
            return toString(i);
        }
        char buf[] = new char[33];
        boolean negative = (i < 0);
        int charPos = 32;
        // 当i为一个正数时，变为负数
        if (!negative) {
            i = -i;
        }
        while (i <= -radix) {
            buf[charPos--] = digits[-(i % radix)];
            i = i / radix;
        }
        buf[charPos] = digits[-i];
        if (negative) {
            buf[--charPos] = '-';
        }
        return new String(buf, charPos, (33 - charPos));
    }

如上源代码片段首先定义了一个digits字符数组，这些数组是可以表示数值类型的。如在十六进制中,a可以表示10,b可以表示11一样，26个字母同样可以代表一个两位数的整数，加上10个数字后，共有32个字符可以用来表示数值。由此可知，Java中支持的最大进制为32，如果大于32，则按10进制进行处理。接下来有一个toString()方法，功能是将十进制的i转换为radix进制的数，并以字符串的形式进行返回。如下测试代码：

System.out.println(Integer.toString(13,19));
System.out.println(Integer.toString(173,29));

运行结果如下：d // 13 5s // 5*29+28

需要注意的是toString()方法的实现代码，可以看到对于一个有符号数i，都是转换为负数来进行进制转换的，这样可以统一进行有符号数的处理。那么可不可以转换为正数进行处理呢？这时候就需要考虑边界的问题了。举个例子，如byte类型，表示的最小整数为-128,而最大的整数为127,这时候将负数转换为正数就会超出类型所表示的范围，在这里的道理是一样的。
继续看另外一个toString()方法的源代码：

 public static String toString(int i) {
        if (i == Integer.MIN_VALUE)
            return "-2147483648";
        //举例：如果是9，这时size为1，而如果为-9时，为2，还要存储一个"-"号
        int size = (i < 0) ? stringSize(-i) + 1 : stringSize(i);// 计算出保存整数需要的字符数组大小
        char[] buf = new char[size];
        getChars(i, size, buf);
        return new String(0, size, buf);
    }
    //如下存储的是10进制的数
    final static int [] sizeTable = { 9, 99, 999, 9999, 99999, 999999, 9999999,
        99999999, 999999999, Integer.MAX_VALUE };// 最大的MAX_VALUE为2147483647
    // Requires positive x
    static int stringSize(int x) {
        for (int i=0; ; i++)
            if (x <= sizeTable[i])
                return i+1;
    }

功能就是将一个有符号的整数转换为字符串，首先是将这个整数转换为字符数组，然后将这个字符数组转换为字符串，getChars()方法的源代码如下：

   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',
        } ;

    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',
    } ;
    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
        // 处理超过4个字节能表示的最大数范围的数，也就是处理Unicode的增补字符
        while (i >= 65536) {// 2^16=65536
            q = i / 100;
            // 2^6+2^5+2^4=100
            r = i - ((q << 6) + (q << 5) + (q << 2));// 相当于r = i - (q * 100);
            i = q;
            buf [--charPos] = DigitOnes[r];
            buf [--charPos] = DigitTens[r];
        }

        // Fall thru to fast mode for smaller numbers
        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;
        }
    }

为了能够快速将数值转换为字符类型，程序采用了空间换时间的策略，预先使用数组存储了一些需要的数。

这段代码看的我火急火燎的，主要有几个问题没弄明白：

（1）为什么要对大于和小于65536的数要分开处理？

（2）q=(i*52429)>>>(16+3)不太看得懂

哪位大神给指点一下感激不尽~~~

好了，我们继续往下看，再一个主要的方法就是decode()了，源代码如下：

 public static Integer decode(String nm) throws NumberFormatException {
        int radix = 10;
        int index = 0;
        boolean negative = false;
        Integer result;

        if (nm.length() == 0)
            throw new NumberFormatException("Zero length string");
        char firstChar = nm.charAt(0);
        // Handle sign, if present
        if (firstChar == '-') {
            negative = true;
            index++;
        } else if (firstChar == '+')
            index++;

        // Handle radix specifier, if present
        if (nm.startsWith("0x", index) || nm.startsWith("0X", index)) {
            index += 2;
            radix = 16;
        }
        else if (nm.startsWith("#", index)) {
            index ++;
            radix = 16;
        }
        else if (nm.startsWith("0", index) && nm.length() > 1 + index) {
            index ++;
            radix = 8;
        }

        if (nm.startsWith("-", index) || nm.startsWith("+", index))
            throw new NumberFormatException("Sign character in wrong position");

        try {
            result = Integer.valueOf(nm.substring(index), radix);
            result = negative ? Integer.valueOf(-result.intValue()) : result;
        } catch (NumberFormatException e) {
            // If number is Integer.MIN_VALUE, we'll end up here. The next line
            // handles this case, and causes any genuine format error to be
            // rethrown.
            String constant = negative ? ("-" + nm.substring(index))
                                       : nm.substring(index);
            result = Integer.valueOf(constant, radix);
        }
        return result;
    }

如上函数的功能就是将字符串转换为整数，接受以八进制、十进制和16进制格式书写的字符串,测试如上方法：

System.out.println(Integer.decode("0x0011"));
System.out.println(Integer.decode("0X0011"));
System.out.println(Integer.decode("011"));
System.out.println(Integer.decode("-011"));

最后运行的结果如下：19 19 9 -9

合法的字符串表示的数值最后都是以十进制的形式返回的，或者还可以使用parseInt()方法，源代码如下：

 public static int parseInt(String s, int radix)throws NumberFormatException{
        /*
         * WARNING: This method may be invoked early during VM initialization
         * before IntegerCache is initialized. Care must be taken to not use
         * the valueOf method.
         */

        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, len = s.length();
        int limit = -Integer.MAX_VALUE;
        int multmin;
        int digit;

        if (len > 0) {
            char firstChar = s.charAt(0);
            if (firstChar < '0') { // Possible leading "+" or "-"
                if (firstChar == '-') {
                    negative = true;
                    limit = Integer.MIN_VALUE;
                } else if (firstChar != '+')
                    throw NumberFormatException.forInputString(s);

                if (len == 1) // Cannot have lone "+" or "-"
                    throw NumberFormatException.forInputString(s);
                i++;
            }
            multmin = limit / radix;
            while (i < len) {
                // 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);
        }
        
        return negative ? result : -result;
    }

由于这个函数是公开的，所以对边界条件的检查特别严格。将指定进制的有符号整数转换为十进制的整数返回，测试代码如下：

parseInt("0", 10) returns 0
parseInt("473", 10) returns 473
parseInt("+42", 10) returns 42
parseInt("-0", 10) returns 0
arseInt("-FF", 16) returns -255
parseInt("1100110", 2) returns 102
parseInt("2147483647", 10) returns 2147483647
parseInt("-2147483648", 10) returns -2147483648
parseInt("2147483648", 10) throws a NumberFormatException
parseInt("99", 8) throws a NumberFormatException
parseInt("Kona", 27) returns 411787

需要注意的是：

parseInt("Kona", 10) throws a NumberFormatException //因为十进制不可能出现K字符，所以出现异常

程序会出现错误，因为10进制的数值中只能出现0到9的数字，这主要是通过Character.digit()函数进行判断的。关于这个函数的源代码将在字符源码剖析中解析。

PS：后续要讲解一下bigInteger类