前几天在头条上看到一道经典面试题,引发了一些思考。也是写这篇文章的导火索。

背景

请看题:

public	class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Integer a = 1;
        Integer b = 2;
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
        swap(a, b);
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
    }

    private static void swap(Integer numa, Integer numb) {
        //请实现
    }
}

看到这个题后瞬间觉得有坑。也觉得为什么要书写一个swap方法呢？如下实现不是更简单:

public static void main(String[] args) {
        Integer a = 1; 
        Integer b = 2;
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
        Integer tmp = a;
        a = b;
        b = tmp;
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
    }

输出:

a=1,b=2
a=2,b=1

完美实现交换。但是请注意，这是一道面试题，要的就是考验一些知识点。所以还是老老实实的实现swap方法吧。
有的同学可能会想，Integer 是一个包装类型,是对Int的装箱和拆箱操作。其实也是一个对象。既然是对象，直接更改对象的引用不就行了？
思路没问题，我们首先看看实现:

private static void swap(Integer numa, Integer numb) {
       Integer tmp = numa;
       numa = numb;
       numb = tmp;
       System.out.println("numa=" + numa + ",numb=" + numb);
}

输出:

a=1,b=2
numa=2,numb=1
a=1,b=2

不出意外,没有成功
这是什么原因呢？
技术老手一看就知道问题出在形参和实参
混淆了

JAVA的形参和实参的区别:

形参顾名思义:就是形式参数，用于定义方法的时候使用的参数，是用来接收调用者传递的参数的。
形参只有在方法被调用的时候，虚拟机才会分配内存单元，在方法调用结束之后便会释放所分配的内存单元。
因此,形参只在方法内部有效，所以针对引用对象的改动也无法影响到方法外。

实参顾名思义:就是实际参数，用于调用时传递给方法的参数。实参在传递给别的方法之前是要被预先赋值的。
在本例中 swap 方法的numa, numb 就是形参，传递给 swap 方法的 a,b 就是实参

注意:
在值传递调用过程中，只能把实参传递给形参，而不能把形参的值反向作用到实参上。在函数调用过程中，形参的值发生改变，而实参的值不会发生改变。
而在引用传递调用的机制中，实际上是将实参引用的地址传递给了形参，所以任何发生在形参上的改变也会发生在实参变量上。
那么问题来了，什么是值传递和引用传递

值传递和引用传递

在谈值传递和引用传递之前先了解下 Java的数据类型有哪些

JAVA的数据类型

Java 中的数据类型分为两大类，基本类型和对象类型。相应的，变量也有两种类型：基本类型和引用类型
基本类型的变量保存原始值，即它代表的值就是数值本身,原始值一般对应在内存上的栈区
而引用类型的变量保存引用值，引用值指向内存空间的地址。代表了某个对象的引用，而不是对象本身。对象本身存放在这个引用值所表示的地址的位置。被引用的对象对应内存上的堆内存区。
基本类型包括：byte,short,int,long,char,float,double,boolean 这八大基本数据类型
引用类型包括：类类型，接口类型和数组

变量的基本类型和引用类型的区别

基本数据类型在声明时系统就给它分配空间

int a;//虽然没有赋值，但声明的时候虚拟机就会 分配 4字节 的内存区域,而引用数据类型不同，它声明时只给变量分配了引用空间，而不分配数据空间:	
String str;//声明的时候没有分配数据空间，只有 4byte 的引用大小，在栈区，而在堆内存区域没有任何分配
str.length(); //这个操作就会报错，因为堆内存上还没有分配内存区域，而 a = 1; 这个操作就不会报错。

好了，Java的数据类型说完了，继续我们的值传递和引用传递的话题。
先背住一个概念:基本类型的变量是值传递；引用类型的变量
结合前面说的 形参和实参。

值传递

方法调用时，实际参数把它的值传递给对应的形式参数，函数接收的是原始值的一个copy，
此时内存中存在两个相等的基本类型，即实际参数和形式参数，后面方法中的操作都是对形参这个值的修改，不影响实际参数的值

引用传递

也称为地址传递，址传递。方法调用时，实际参数的引用(地址，而不是参数的值)被传递给方法中相对应的形式参数，函数接收的是原始值的内存地址
在方法执行中，形参和实参内容相同，指向同一块内存地址，方法执行中对引用的操作将会影响到实际对象
通过例子来说话:

static class Person {
       int age;
       Person(int age) {
           this.age = age;
       }
   }
   
   private static void test() {
       int a = 100;
       testValueT(a);
       System.out.println("a=" + a);
       Person person = new Person(20);
       testReference(person);
       System.out.println("person.age=" + person.age);
   }
   
   private static void testValueT(int a) {
       a = 200;
       System.out.println("int testValueT a=" + a);
   }
   
   private static void testReference(Person person) {
       person.age = 10;
   }

输出：

int testValueT a=200
a=100
person.age=10

看见 值传递 a的值并没有改变，而 引用传递的 persion.age已经改变了
有人说

private static void testReference(Person person) {
        person = new Person(100);
}

为什么输出的 person.age 还是20呢？
我想说了解一下什么是引用类型吧？方法内把 形参的地址引用换成了另一个对象，并没有改变这个对象,并不能影响外边实参还引用原来的对象，因为形参只在方法内有效哦。

有人或许还有疑问，按照文章开头的例子，Integer也是 引用类型该当如何呢？
其实类似的 String,Integer,Float,Double,Short,Byte,Long,Character等等基本包装类型类。因为他们本身没有提供方法去改变内部的值，例如Integer 内部有一个value 来记录int基本类型的值，但是没有提供修改它的方法，而且也是final类型的，无法通过常规手段更改。
所以虽然他们是引用类型的，但是我们可以认为它是值传递,这个也只是认为,事实上还是引用传递,址传递。

好了，基础知识补充完毕，然我们回到面试题吧

回归正题

private static void swap(Integer numa, Integer numb) {
        Integer tmp = numa;
        numa = numb;
        numb = tmp;
        System.out.println("numa=" + numa + ",numb=" + numb);
 }

通过补习基础知识，我们很明显知道上面这个方法实现替换是不可行的。因为Interger虽然是引用类型
但是上述操作只是改变了形参的引用，而没有改变实参对应的对象。

那么思路来了，我们通过特殊手段改变 Integer内部的value属性

private static void swap(Integer numa, Integer numb) {
        Integer tmp = numa;
        try {
            Field field = Integer.class.getDeclaredField("value");
            field.setAccessible(true);
            field.set(numa, numb);//成功的将numa 引用的 1的对象 值改为 2
            field.set(numb, tmp); //由于 tmp 也是指向 numa 未改变前指向的堆 即对象1 ，经过前一步，已经将对象1的值改为了2，自然 numb 也是2，所以改动失效
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

输出结果:

a=1,b=2
a=2,b=2

又来疑问了？为何 a的值改变成功，而b的改变失败呢？

见代码注释
所以其实 field.set(numb, tmp); 是更改成功的，只是 tmp 经过前一行代码的执行，已经变成了 2。
那么如何破呢？
我们有了一个思路，既然是 tmp的引用的对象值变量，那么我让tmp不引用 numa了

private static void swap(Integer numa, Integer numb) {
       int tmp = numa.intValue();//tmp 定义为基本数据类型
       try {
           Field field = Integer.class.getDeclaredField("value");
           field.setAccessible(true);
           field.set(numa, numb);//这个时候并不改变 tmp 的值
           field.set(numb, tmp);
       } catch (Exception e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }

这种情况下对 numa 这个对象的修改就不会导致 tmp 的值变化了,看一下运行结果

a=1,b=2
a=2,b=2

这是为啥？有没有快疯啦？
难道我们的思路错了？
先别着急，我们看看这个例子：
仅仅是将前面的例子 a的值改为 129，b的值改为130

public static void main(String[] args) {
        Integer a = 129;
        Integer b = 130;

        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
        swap(a, b);
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
    }

    private static void swap(Integer numa, Integer numb) {
        int tmp = numa.intValue();
        try {
            Field field = Integer.class.getDeclaredField("value");
            field.setAccessible(true);
            field.set(numa, numb);
            field.set(numb, tmp);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

运行结果:

a=129,b=130
a=130,b=129

有没有怀疑人生？我们的思路没有问题啊?为什么换个数值就行了呢？
我们稍微修改一下程序

public static void main(String[] args) {
        Integer a = new Integer(1);
        Integer b = new Integer(2);

        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
        swap(a, b);
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
    }

    private static void swap(Integer numa, Integer numb) {
        int tmp = numa.intValue();
        try {
            Field field = Integer.class.getDeclaredField("value");
            field.setAccessible(true);
            field.set(numa, numb);
            field.set(numb, tmp);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

运行结果:

a=1,b=2
a=2,b=1

哎？为啥 1 和 2 也可以了?
我们这时肯定猜想和Integer的装箱拆箱有关

装箱，拆箱概念

Integer的装箱操作

为什么 Integer a = 1 和 Integer a = new Integer(1) 效果不一样
那就瞅瞅源码吧？

public Integer(int value) {
    this.value = value;
}

/**
 * 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);
}

通过注释知道，java推荐 Integer.valueOf 方式初始化一个Interger因为有缓存了-128 - 127的数字
我们直接定义 Integer a = 1 具有这个功能，所以 Jvm 底层实现是通过 Integer.valueOf这个方法
再看 field.set(numb, tmp);
我们打断点，发现通过反射设置 value时竟然走了 Integer.valueOf 方法
下面是我们调用 swap前后的 IntegerCache.cache 值得变化

反射修改前:

反射修改后

在反射修改前

IntegerCache.cache[128]=0
IntegerCache.cache[129]=1
IntegerCache.cache[130]=2

通过反射修改后

IntegerCache.cache[128]=0
IntegerCache.cache[129]=2
IntegerCache.cache[130]=2

再调用 field.set(numb, tmp) tmp这时等于1 对应的角标 129 ,但是这个值已经变成了2
所以出现了刚才 奇怪的结果
原来都是缓存的锅
下面趁机再看个例子加深理解

Integer testA = 1;
Integer testB = 1;

Integer testC = 128;
Integer testD = 128;
System.out.println("testA=testB " + (testA == testB) + ",\ntestC=testD " + (testC == testD));

输出结果:

testA=testB true,
testC=testD false

通过这小示例，在 -128 到 127的数字都走了缓存，这样 testA 和 testB引用的是同一片内存区域的同一个对象。
而 testC testD 数值大于127 所以没有走缓存，相当于两个Integer对象，在堆内存区域有两个对象。
两个对象自如不相等。
在前面的示例中我们通过

Integer a = new Integer(1);
Integer b = new Integer(2);

方式初始化 a,b 我们的交换算法没有问题，也是这个原因。

那么到目前为止我们的`swap` 方法可以完善啦

private static void swap(Integer numa, Integer numb) {
        int tmp = numa.intValue();
        try {
            Field field = Integer.class.getDeclaredField("value");
            field.setAccessible(true);
            field.set(numa, numb);
            field.set(numb, new Integer(tmp));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

只需将之前的 field.set(numb, tmp) 改为 field.set(numb, new Integer(tmp))

到此, 这个面试我们已经通过了，还有一个疑问我没有解答。
为什么 field.set(numb, tmp) 会执行 Integer.valueOf() 而 field.set(numb, new Integer(tmp)) 不会执行。
这就是Integer的装箱操作，当给 Integer.value 赋值 int时，JVM 检测到 int不是Integer类型,需要装箱，才执行了Integer.valueOf()方法。而field.set(numb, new Integer(tmp)) 设置的是Integer类型了，就不会再拆箱后再装箱。

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