Java语言的类型系统.ppt

Lecture Notes on Object-Oriented Programming & Design /lwj/object-oriented/ Dr. LI Wenjun /lwj/ Department of Computer Science SUN YAT-SEN UNIVERSITY, GZ 510275,第三讲 Java语言的类型系统,数据类型概述 Java语言的基本数据类型 符号常量 运算符与表达式 类型转换 简单的输入输出,3.1 数据类型概述,字母C ASCII字符 二进制串：01000011 无符号整数 正整数67,类型的作用,所有数据均属于某一特定类型 类型决定了数据的内部表示方式 有符号整数占用4个字节且最高位表示正负符号，双精度浮点数占用8个字节且这8个字节又分为阶码和尾数两部分（IEEE 754），. 类型决定了数据的取值范围 表示方式决定取值范围与精度，例如2个字节表示的有符号短整数取值范围仅为-32 768至+32 767，. 类型决定了数据上的可用操作 例如两个整数可进行加、减、乘、除、整除、取模等运算；两个字符串可进行比较、连接、判断子串等操作，但不可作四则算术运算。 同一类型的不同数据具有相同的表示方式、取值范围和可用操作,强类型 vs 弱类型,强类型（strong-typing） 程序中的每一数据都明确地属于某一类型（“先声明、后使用”原则）；数据所属的类型声明后不可动态改变。 强类型语言：Java、C+、Ada、Pascal、. 弱类型（weak typing） 不强制数据一定属于某种类型；数据的类型通常由运行环境通过类型推导规则来确定。 弱类型语言：Smalltalk、Foxpro、许多脚本语言、.,强类型带来的好处,对编译程序而言： 可生成更高效率的目标代码。 可帮助程序员发现并定位与类型有关的错误。 对程序员而言： 提高了程序的可读性。,数据：在程序中表达实体的属性。 常量变量数据。 常量：在程序执行过程中取值不能改变的数据。 变量：在程序执行过程中取值可改变的数据。,程序中的数据,如何确定数据的类型,常量：类型由数据的书写形式确定（以值代名）。 800、1500 是整数类型的常量； 800.0、3.14159 是双精度浮点数类型常量； a、$ 是字符类型常量； “Data Structure”、“确认退出？” 是字符串类型常量。 通常使用后缀修饰那些不是默认的类型，如800L、3.14F。 变量：显式地声明变量的类型。 程序员自由选择标识符为变量命名。 遵循“先声明、后使用”原则。 double balance; int total, average; 早期也有一些高级语言通过书写形式确定变量的类型，例如：如IAGE是整数类型、XAVERAGE是浮点类型。,变量的4个要素,名字 类型 地址 值,E.Dijkstra：一旦你理解了在程序设计中变量的使用方法，你就理解了程序设计的精华。,变量的左值（Lvalue）与右值（Rvalue）！,Java语言提供了8种基本数据类型 又称原始（primitive）数据类型。 Integral char、byte、short、int、long Numeric Floating float、double Logical boolean Java语言的类型系统（Type System） 基本类型 数组（array）类型 引用类型 class 用户自定义类型（UDT） interface,3.2 Java语言的基本数据类型,特殊值：null,有人也将char另分类为Textual,Primitive,Java不把void作为一种类型 故不能用(void)作类型转换,布尔类型,常量 true、false 变量 boolean isMarried; / 职工是否已婚 boolean hasNext = true; / 是否有下一数据需处理,表示方法 只需占用1位。 Java语言并未规定编译器的实现方式。 取值范围 true, false 可用操作 可用：赋值运算、关系运算（仅=和!=）、逻辑运算、位运算（位非除外）、条件运算、. 不可用：算术运算、位非运算。,字符类型,常量 普通字符： A、9、$、_、 、. 转义（escape）字符： n 、t、“、. 7、07、007、. xdd、udddd、. 变量 char choice; / 用户输入的选择结果 char choice = Y; / 用户输入的选择结果 Java语言采用Unicode编码（双字节） C和C+语言采用ASCII码（单字节）,表示方法 采用Unicode编码：/。 取值范围 类型 长度 取值范围 char 2字节（16位） u0000 uFFFF 0 65,535 可用操作 可用：赋值运算、算术运算、关系运算、位运算、条件运算、. 不可用：逻辑运算。,整数类型,常量 8 进制数： 0开头，其后只允许出现0至7；例如，0123。 16进制数： 0x开头，其后允许出现0至9和A至F；例如，0x53。 10进制数： 其余开头。例如，83。 整数常量只有int和long类型。 默认类型是int；指定long类型必须加后缀L或l：83L、0x53L。 变量 byte age; / 职工的年龄 short length; / 数组的长度 int size = 0; / 用户输入数据的大小 long max = 0; / 所求的最大数目,表示方法与取值范围 类型 长度 取值范围 byte 1字节（8位） -27 27-1 （有符号二进制补码，下同） -128 +127 short 2字节（16位） -215 215 -1 -32,768 +32,767 int 4字节（32位） -231 231 -1 -2,147,483,648 +2,147,483,647 long 8字节（64位） -263 263 -1 9,223,372,036,854,775,808 9,223,372,036,854,775,807 可用操作 可用：赋值运算、算术运算、关系运算、位运算、条件运算、. 不可用：逻辑运算。,C+的short、int和long的 取值范围依赖于机器字长,浮点类型,常量 小数表示法： 3.14、3.14F 科学记数法： 3.14E-5 默认类型是double，指定float类型须加后缀F或f：3.14F。 整数后缀D或d成为double类型：15D、3d。 变量 float balance; / 信用卡帐户的余额 double weight = 0; / 工件的重量 编程原则：如果double与float之间的空间效率差别不会对整个程序的效率产生明显影响时，应选用double类型。,表示方法 1985年通过的IEEE 754标准：阶码采用增码、尾数采用原码；数符位于最左位；尾数规格化，从而可多用1位精度。 32位（单精度）浮点数：阶码8位、尾数24位。 64位（双精度）浮点数：阶码11位、尾数53位。 取值范围 类型 长度 取值范围 float 4字节（32位） 约-3.41038 +3.41038 double 8字节（64位） 约-1.810308 +1.810308 可用操作 可用：赋值运算、算术运算、关系运算、位运算、条件运算、. 不可用：逻辑运算。,Java允许浮点数取模,与数学意义下实数的区别 (1) 程序中的浮点数是数学意义下实数的一个子集； (2) 程序中的浮点数是离散的而数学意义下的实数是连续的。 精度与溢出 JRE不执行运行期间的溢出检查。 没有C+语言的long double类型（10字节80位表示格式）。 JDK预定义的类：java.math.BigDecimal。,字符串类型,常量 “Programming in Java“ “His name is “John“.n“ “注意：7n李明正在上课！n“ 变量 String authorName = “; / 作者姓名 String message = “数据已保存！“; / 提示信息 String不是保留字，而是JDK预定义的可重用类。 注意“A“与A的区别！,注意在Unicode编码中， 1个汉字的长度仅占1位,变量的初始化,使用未设置初始值的变量会产生一个编译错误 例如： int x; int y = x + 1; Java语言的设计比C+语言更注重编程的安全性！,基本数据类型的包装类（wrapper）,每一基本数据类型都有一个对应的包装类 Java比C+语言更接近纯（pure）面向对象程序设计语言！ boolean Boolean char Character byte Byte short Short int Integer long Long float Float double Double,所谓常量只是指在程序运行过程其值保持不变， 但并不意味着在应用环境中或整个软件生存期会一成不变！,3.3 符号常量,编译器可保证符号常量只能初始化，而不能对其赋值。 适当使用符号常量可提高程序的可扩充性。,使用符号常量的好处,常量只能进行一次赋值 不同于C+语言：既可使用初始化表达式，也可使用赋值。 通常在声明的同时进行初始化： final double PI = 3.14; / 圆周率 final int MAX = 100; / 学生人数的上限 禁止对已有初始值的符号常量再次进行赋值！,符号常量的用法,3.4 运算符与表达式,表达式是对程序中数据的最基本操作 表达式运算符操作数 运算符 算术运算、关系运算、逻辑运算、位运算、. 一元、二元、三元 操作数类型值 注意Java语言不将void当作一种类型。,表达式的作用,求值结果类型值 由运算符以及参与运算的操作数（类型值）决定。 当表达式中有多个运算符时，还取决于运算符之间的优先级与结合性质。 副作用（side effect）：在表达式求值过程中改变操作数的值 赋值运算是一种表达式： x = y、x += y、x+、. 方法调用是一个表达式： obj.f(x) 指派变量：可作为左值使用 C+语言允许条件运算“?:”的结果作为左值；Java语言不允许。,赋值运算,赋值运算符 x = expr 赋值表达式 求值结果：x的值、x的类型。 副作用：操作数x的值被改变。,复合与简化写法 除方便程序员外，还可生成效率更高的代码！ x += expr、x -= expr、x *= expr、x /= expr、x %= expr x = expr、x = expr x &= expr、x |= expr、x = expr x+、+x、x-、-x x+与+x 副作用相同，但求值结果不同。,算术运算,算术运算符 x + y -x、x y x * y x / y 15 / 3、16 / 3、17 / 3 求值结果均为5 1 / 3、2 / 3 求值结果均为0 x % y 17 % 3 求值结果为2 28 % 5 求值结果为3 类型推导 op: X Y Z： X或Y为byte、short或char时，会隐式地放宽（提升）为int。 Z取决于X和Y的大者。 X和Y均不允许是boolean。,Signature,重载（overloading）运算符 运行符“/”的含义由其参数的类型确定。 Java语言不允许程序员重载现有的运算符 C+语言则允许程序员重载现有的运算符。,关系运算,关系运算符 x = y x y x != y 注意不是 x y。 类型推导 op: X Y boolean，其中： 对于=和!=，X和Y允许任意基本类型； 对于其他，X和Y不允许boolean。 注意引用类型的关系运算的特殊性！,字符串的比较 比较性质：属于对象的比较，比较特殊！ 比较依据：Unicode字符集。 s1.euqals(s2) 区别(s1 = s2)！ s1.euqalsIgnoreCase(s2) 忽略大小写的差别。 pareTo(s2) 返回：0(=)、0()。 pareToIgnoreCase(s2) 其他对象的比较 根类Object定义了equals()方法。 该方法缺省语义是浅比较而不是深比较，故需重定义equals()方法。 JDK预定义的类绝大部分重定义了equals()方法。,逻辑运算,逻辑运算符 x & y x | y !x 类型推导 &, |: boolean boolean boolean !: boolean boolean 与C+语言不同，不能将整型（short、int等）当作boolean使用。,短路（short-circuit）求值 只有两个逻辑运算会短路求值：“&”和“|”。 无论单纯逻辑表达式求值还是控制分支或循环，均以短路形式求值。 为什么要短路求值？ 优化了时间效率仅仅是一方面原因。 对语言使用者（程序员编程）或实现者（设计编译器）的影响！ if (count != 0) & (total / count 10) . if (obj != null) & obj.found() .,位运算,位运算符 x & y 0xff00 & 0xf0f0 求值结果为0xf000 x | y 0xff00 | 0xf0f0 求值结果为0xfff0 x y 0xff00 0xf0f0 求值结果为0x0ff0 （Exclusive OR，简称XOR） x 0xff00 求值结果为0x00ff 组合赋值 x &= y、x |= y、x = y,位运算的应用 较少应用场合才需要。 通常是面向设备级的底层应用，如机顶盒或其他嵌入式应用。 位运算的用法 每一个bit对应一种二值的开关状态。 使用易记忆的枚举符号常量帮助程序员记忆每一位的含义。,移位运算,移位运算符 x y 有符号右移（左补符号位） 256 4 求值结果为 256/24 = 16 -256 4 求值结果为 -256/24 = -16 x y 无符号右移（左补0） 类型推导 op: Integral Integral Integral 其中： 类型为byte、short或char的操作数会放宽（提升）为int。 返回结果为左操作数提升后的类型。,右操作数决定移位距离 如果左操作数提升后为int，则右操作数仅最低的5位作为移位距离； 如果左操作数提升后为long，则右操作数仅最低的6位作为移位距离。 思考：Why ?,条件运算,唯一的三元运算符 (x y)? x : y 类型推导 op: boolean X Y Z，其中： X和Y同属于数值类型，或 X和Y同属于boolean类型，或 X和Y同属于引用类型或null 否则会导致一个编译错误。,不允许像C+那样指派变量！,字符串运算,连接运算“” 运算符重载：注意此处的“+”不是算术运算。 只要有一个操作数是String类型，则运算符“+”解释为字符串连接。 生成一个新的字符串对象！ 数据的字符串化（又称外表化，Externalization） 当String+X或X+String时，X无论是基本数据类型据或引用类型，都会自动转换为字符串类型文本描述形式。 String str1 = 3.14; / 错误的做法 String str2 = “ + 3.14; / 正确的做法 String str3 = 3.14 + “; / 正确的做法 引用类型X转换为字符串类型时，会调用对象的toString()方法。 根类Object定义了toString()方法，其他类可以重定义该方法。,优先级与结合性质,不明显的优先关系最好通过括号显式表达。 . () R to L + - + - ! instanceof new (T) * / % + - = = != & | & | R to L ?: R to L = *= /= %= += -= = = &= = |=,3.5 类型转换,隐式（implicit）类型转换 由编译器或运行环境自动完成。 更安全的设计：在不丢失信息的前提下才执行隐式转换。 显式（explicit）类型转换 由程序员手工写在源程序代码中。 如有丢失信息的可能，则必须由程序员显式地转换类型。,类型转换的工作原理,原数据的类型保持不变！ 下次在同样情况下使用该数据时，仍需执行类型转换。 新类型的数据是原数据的一个副本 副本的类型与原数据不同。 副本的值尽可能保持与原数据一致（不丢失量或精度）。 从编译原理更容易看出：生成的中间代码（三元式）。 一个例子 salary = age * 1.5; 类型转换并不改变age本身的类型，而是创建age的一个副本！,类型转换的情形,赋值转换（Assignment Conversion） 表达式类型转换为某一变量的类型。 例子：float f = i; / 设i的类型为int 方法调用转换（Method Invocation Conversion) 实际参数的类型转换为形式参数的类型。 例子：double d = Math.sin(f); / 设f为float，sin()只支持double 显式类型转换（Casting Conversion） 通过类型转换运算符显式地转换表达式的类型。 例子：int i = (int) 12.5f; 字符串转换（String Conversion） 允许任何类型转换为String类型。 例子：System.out.println(“i = “ + i); 数值提升（Numeric Promotion） 提升数值运算符的操作数类型，从而可执行某一操作。 例子：f = f * i; / 设i的类型为int，f的类型为float,Java语言有5种类型转换的上下文（Context）,类型转换的种类,恒等转换（Identity Conversions） 是平凡转换：自身到自身，所有类型都支持。 用途：提高可读性或借助编译器确保万一（例如，IDL编译器生成的代码）。 例子：（只存在显式转换） int i = 0; int j = (int) (i * 2);,Java语言支持7种类型转换,放宽基本类型转换（Widening Primitive Conversion） 共19条规则，均不会丢失“量”的信息，故允许隐式转换！ byte short、int、long、float或double short int、long、float或double char int、long、float或double int long、float或double long float或double float double 例子： int i = 0; long j = i + 1; / 隐式转换 double x = (double) (j * 2); / 显式转换,仍可能会丢失精度！,收窄基本类型转换（Narrowing Primitive Conversion） 共23条规则，均可能丢失量与精度的信息，故不支持隐式转换！ byte char short byte或char char byte或short int byte、short或char long byte、short、char或int float byte、short、char、int或long double byte、short、char、int、long或float 例子： long i = 0; int j = i + 1; / 会产生一个编译错误 float x = (float) 3.14; / 无显式转换将导致编译错误,放宽引用类型转换（Widening Reference Conversion） 共9规则，不需要运行时检测，允许隐式转换。 S T, S是T的子类（注意Object是所有类的父类！）。 S T, 类S实现了接口T。 null S, S是任意类、接口或数组类型。 J K, J是K的子接口。 J Object, J是任意接口。 A Object, A是任意数组。 A Cloneable, A是任意数组。 A Serializable, A是任意数组。 SA TA, SA和TA均为引用且可从SA放宽转换为TA。 例子：,收窄引用类型转换（Narrowing Reference Conversion） 共8规则，需要运行时检测（RTTI），仅支持显式转换。 S T, S是T的父类（注意Object是所有类的父类！）。 S T, S是非最终类且未实现接口T。 Object A, A是任意数组。 Object J, J是任意接口。 J T, J是任意接口而T是非最终类。 J T, J是任意接口而T是实现了J的最终类。 J K, J不是K的子接口且两者不含基调相同而返回类型不同的方法。 SA TA, SA和TA均为引用且可从SA收窄转换为TA。 例子：,字符串类型转换（String Conversion） 任何类型（包括null）均可转换为String类型。 所有基本类型的数据首先转换为对应的包装类； 执行每一个类都具有的toString()方法。 注意字符串类型转换是一种单向关系（不具备对称性）。 例子： System.out.println(“x = “ + x + “, y = “ + y); String result = 3.14;,Java语言禁止的类型转换 禁止任何引用类型转换为任何基本类型。 除字符串转换外，禁止任何基本类型转换为任何引用类型。 null仅支持恒等转换；禁止null转换为任何基本类型。 boolean仅支持恒等转换和字符串转换。 如果S不是T的子类且T也不是S的子类，则S到T除字符串转换外禁止任何转换。 如果S是最终类且未实现接口K，则禁止S转换为K。 如果S不是Object，则禁止S转换为任何数组类型。 如果T是最终类且未实现接口J，则J到T除字符串转换外禁止任何转换。 如果接口J和K含有同基调但不同返回类型的方法，则禁止J转换为K。 任何数组类型除转换为Object或String外，禁止转换为其他类类型。 任何数组类型除转换为Serializable或Cloneable外，禁止转换为其他接口类型。 如果SC到TC除字符串转换外禁止其他转换，则禁止SC转换为TC。,隐式类型转换规则,最小要求 byte、short或char参与算术运算、位非运算或作为数组下标时，会自动放宽为int（但复合赋值+=、-=等运算则无需提升）。 以大为主 适用于算术运算、关系运算和逻辑运算等运算； byte short int long float double 以左为主 适用于赋值； 禁止丢失信息。 Java语言比其前辈C+语言更严格！ C+允许将double赋值给int或float，丢失信息是程序员自己的事。,显式类型转换规则,假设area和length为int类型： area / length 显式类型转换： (double) area / length area / (double) length 不正确的做法：无法提高精度！ (double) (area / length),涉及boolean的类型转换,boolean与其他基本数据类型之间不允许类型转换 这也意味着在所有控制语句中不允许以整型代替boolean作为判断条件。 例如： int i = (int) true; / 编译程序报错 boolean b = (boolean) A; / 编译程序报错 非类型转换的转换方法： 将整数x转换为逻辑值： (x != 0) 将引用r转换为逻辑值： (r != null) 将布尔值b转换为字符串： (“ + b),一个例子程序,/ 计算某一学生数理化三科总分与平均分 public class Score public static void main(String args) int math = 92; / 数学成绩 int phys = 88; / 物理成绩 int chem = 95; / 化学成绩 int total; / 三科总分 int average; / 三科平均分 / 计算三科总分 total = math + phys + chem; / 计算三科平均分 average = total / 3; / 在屏幕上输出计算结果 System.out.println(“数理化三科总分为“ + total); System.out.println(“数理化三科平均分为“ + average); ,average = total / 3; 四舍五入： 做法一： float temp = (float) total / 3; average = (int) (temp + 0.5); 其他做法： float temp = total / 3.0F; float temp = total / (float) 3; float temp = (float) (total / 3.0); double temp = total / 3.0; 复合表达式： average = (int) (float) total / 3 + 0.5); 错误的做法： 做法一： float temp = (float) total / 3; average = (int) temp + 0.5; 做法二： float temp = total / 3.0; average = (int) (temp + 0.5);,3.6 简单的输入输出,将华氏温度F转换为相应摄氏温度C的公式： C = (F - 32) * 5 / 9,观察运算结果：最简单的输出方式,System.out.println(.) System.out.println(“长方形宽为“ + length); System.out.print(.) System.out.print(“长方形高为“); System.out.println(width); System.out.println(“长方形面积为“ + (length * width); 只在两个地方使用汉字：注释、字符串常量,最简单的程序,/ 将华氏温度转换为摄氏温度 public class Temperature public static void main(String args) System.out.print(“今天的气温是摄氏“); System.out.print(81.25 - 32) * 5 / 9); System.out.println(“度。“); ,为程序引入变量,/ 将华氏温度转换为摄氏温度 public class Temperature public static void main(String args) float fah; / 华氏温度 float cel; / 根据fah转换得到的摄氏温度 / 确定华氏温度fah fah = (float) 81.25; / 根据华氏温度fah计算摄氏温度cel cel = (fah - 32) * 5 / 9; / 输出转换得到的摄氏温度cel System.out.println(“今天气温为摄氏“ +