java基础之java程序基础（二）--变量和数据类型

前言....

本节我们将介绍Java程序的基础知识，包括：

• Java程序基本结构

• 变量和数据类型

• 整数运算

• 浮点数运算

• 布尔运算

• 字符和字符串

• 数组类型

Java程序基本结构

我们先剖析一个完整的Java程序，它的基本结构是什么：

**
 * 可以用来自动创建文档的注释
 */
public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        // 向屏幕输出文本:
        System.out.println("Hello, world!");
        /* 多行注释开始
        注释内容
        注释结束 */
    }
} // class定义结束

因为Java是面向对象的语言，一个程序的基本单位就是class，class是关键字，这里定义的class名字就是Hello：

public class Hello { // 类名是Hello
    // ...
} // class定义结束

类名要求：

• 类名必须以英文字母开头，后接字母，数字和下划线的组合
• 习惯以大写字母开头

要注意遵守命名习惯，好的类命名：

• Hello
• NoteBook
• VRPlayer

不好的类命名：

• hello
• Good123
• Note_Book
• _World

注意到public是访问修饰符，表示该class是公开的。

不写public，也能正确编译，但是这个类将无法从命令行执行。

在class内部，可以定义若干方法（method）：

public class Hello {
    public static void main(String[] args) { // 方法名是main
        // 方法代码...
    } // 方法定义结束
}

这里的方法名是main，返回值是void，表示没有任何返回值。

我们注意到public除了可以修饰class外，也可以修饰方法。而关键字static是另一个修饰符，它表示静态方法，后面我们会讲解方法的类型，目前，我们只需要知道，Java入口程序规定的方法必须是静态方法，方法名必须为main，括号内的参数必须是String数组。

方法名也有命名规则，命名和class一样，但是首字母小写：

在方法内部，语句才是真正的执行代码。Java的每一行语句必须以分号结束：

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, world!"); // 语句
    }
}

在Java程序中，注释是一种给人阅读的文本，不是程序的一部分，所以编译器会自动忽略注释。

Java有3种注释，第一种是单行注释，以双斜线开头，直到这一行的结尾结束：

// 这是注释...

而多行注释以/*星号开头，以*/结束，可以有多行：

/*
这是注释
blablabla...
这也是注释
*/

还有一种特殊的多行注释，以/**开头，以*/结束，如果有多行，每行通常以星号开头：

/**
 * 可以用来自动创建文档的注释
 * 
 * @auther liaoxuefeng
 */
public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, world!");
    }
}

这种特殊的多行注释需要写在类和方法的定义处，可以用于自动创建文档。

变量和数据类型

变量

什么是变量？

变量就是初中数学的代数的概念，例如一个简单的方程，x，y都是变量：

y=x^2+1y=x2+1

在Java中，变量分为两种：基本类型的变量和引用类型的变量。

我们先讨论基本类型的变量。

在Java中，变量必须先定义后使用，在定义变量的时候，可以给它一个初始值。例如：

int x = 1;

上述语句定义了一个整型int类型的变量，名称为x，初始值为1。

来看一个完整的定义变量，然后打印变量值的例子：

// 定义并打印变量

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 100; // 定义int类型变量x，并赋予初始值100
        System.out.println(x); // 打印该变量的值
    }
}

100

变量的一个重要特点是可以重新赋值。例如，对变量x，先赋值100，再赋值200，观察两次打印的结果：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 100; // 定义int类型变量x，并赋予初始值100
        System.out.println(x); // 打印该变量的值，观察是否为100
        x = 200; // 重新赋值为200
        System.out.println(x); // 打印该变量的值，观察是否为200
    }
}

100
200

注意到第一次定义变量x的时候，需要指定变量类型int，因此使用语句int x = 100;。而第二次重新赋值的时候，变量x已经存在了，不能再重复定义，因此不能指定变量类型int，必须使用语句x = 200;。

变量不但可以重新赋值，还可以赋值给其他变量。让我们来看一个例子：

//变量之间赋值
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 100; // 定义变量n，同时赋值为100
        System.out.println("n = " + n); // 打印n的值

        n = 200; // 变量n赋值为200
        System.out.println("n = " + n); // 打印n的值

        int x = n; // 变量x赋值为n（n的值为200，因此赋值后x的值也是200）
        System.out.println("x = " + x); // 打印x的值

        x = x + 100; // 变量x赋值为x+100（x的值为200，因此赋值后x的值是200+100=300）
        System.out.println("x = " + x); // 打印x的值
        System.out.println("n = " + n); // 再次打印n的值，n应该是200还是300？
   }
}

我们一行一行地分析代码执行流程：

执行int n = 100;，该语句定义了变量n，同时赋值为100，因此，JVM在内存中为变量n分配一个“存储单元”，填入值100：

      n
      │
      ▼
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│   │100│   │   │   │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

执行n = 200;时，JVM把200写入变量n的存储单元，因此，原有的值被覆盖，现在n的值为200：

      n
      │
      ▼
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│   │200│   │   │   │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

执行int x = n;时，定义了一个新的变量x，同时对x赋值，因此，JVM需要新分配一个存储单元给变量x，并写入和变量n一样的值，结果是变量x的值也变为200：

      n           x
      │           │
      ▼           ▼
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│   │200│   │   │200│   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

执行x = x + 100;时，JVM首先计算等式右边的值x + 100，结果为300（因为此刻x的值为200），然后，将结果300写入x的存储单元，因此，变量x最终的值变为300：

      n           x
      │           │
      ▼           ▼
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│   │200│   │   │300│   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

可见，变量可以反复赋值。注意，等号=是赋值语句，不是数学意义上的相等，否则无法解释x = x + 100。

基本数据类型

基本数据类型是CPU可以直接进行运算的类型。Java定义了以下几种基本数据类型：

• 整数类型：byte，short，int，long

• 浮点数类型：float，double

• 字符类型：char

• 布尔类型：boolean

Java定义的这些基本数据类型有什么区别呢？要了解这些区别，我们就必须简单了解一下计算机内存的基本结构。

计算机内存的最小存储单元是字节（byte），一个字节就是一个8位二进制数，即8个bit。它的二进制表示范围从00000000~11111111，换算成十进制是0~255，换算成十六进制是00~ff。

内存单元从0开始编号，称为内存地址。每个内存单元可以看作一间房间，内存地址就是门牌号。

  0   1   2   3   4   5   6  ...
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│   │   │   │   │   │   │   │...
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

一个字节是1byte，1024字节是1K，1024K是1M，1024M是1G，1024G是1T。一个拥有4T内存的计算机的字节数量就是：

4T = 4 x 1024G
   = 4 x 1024 x 1024M
   = 4 x 1024 x 1024 x 1024K
   = 4 x 1024 x 1024 x 1024 x 1024
   = 4398046511104

不同的数据类型占用的字节数不一样。我们看一下Java基本数据类型占用的字节数：

       ┌───┐
  byte │   │
       └───┘
       ┌───┬───┐
 short │   │   │
       └───┴───┘
       ┌───┬───┬───┬───┐
   int │   │   │   │   │
       └───┴───┴───┴───┘
       ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
  long │   │   │   │   │   │   │   │   │
       └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
       ┌───┬───┬───┬───┐
 float │   │   │   │   │
       └───┴───┴───┴───┘
       ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
double │   │   │   │   │   │   │   │   │
       └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
       ┌───┬───┐
  char │   │   │
       └───┴───┘

byte恰好就是一个字节，而long和double需要8个字节。

整型

对于整型类型，Java只定义了带符号的整型，因此，最高位的bit表示符号位（0表示正数，1表示负数）。各种整型能表示的最大范围如下：

byte：-128 ~ 127
short: -32768 ~ 32767
int: -2147483648 ~ 2147483647
long: -9223372036854775808 ~ 9223372036854775807

//定义整形
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2147483647;
        int i2 = -2147483648;
        int i3 = 2_000_000_000; // 加下划线更容易识别
        int i4 = 0xff0000; // 十六进制表示的16711680
        int i5 = 0b1000000000; // 二进制表示的512
        long l = 9000000000000000000L; // long型的结尾需要加L
    }
}

特别注意：同一个数的不同进制的表示是完全相同的，例如15=0xf＝0b1111。

浮点型

浮点类型的数就是小数，因为小数用科学计数法表示的时候，小数点是可以“浮动”的，如1234.5可以表示成12.345x102，也可以表示成1.2345x103，所以称为浮点数。

下面是定义浮点数的例子：

float f1 = 3.14f;
float f2 = 3.14e38f; // 科学计数法表示的3.14x10^38
double d = 1.79e308;
double d2 = -1.79e308;
double d3 = 4.9e-324; // 科学计数法表示的4.9x10^-324

对于float类型，需要加上f后缀。

浮点数可表示的范围非常大，float类型可最大表示3.4x1038，而double类型可最大表示1.79x10308。

布尔类型

布尔类型boolean只有true和false两个值，布尔类型总是关系运算的计算结果：

boolean b1 = true;
boolean b2 = false;
boolean isGreater = 5 > 3; // 计算结果为true
int age = 12;
boolean isAdult = age >= 18; // 计算结果为false

Java语言对布尔类型的存储并没有做规定，因为理论上存储布尔类型只需要1 bit，但是通常JVM内部会把boolean表示为4字节整数

字符类型

字符类型char表示一个字符。Java的char类型除了可表示标准的ASCII外，还可以表示一个Unicode字符：

//字符类型

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        char a = 'A';
        char zh = '中';
        System.out.println(a);
        System.out.println(zh);
    }
}

A
中

注意char类型使用单引号'，且仅有一个字符，要和双引号"的字符串类型区分开。

常量

定义变量的时候，如果加上final修饰符，这个变量就变成了常量：

inal double PI = 3.14; // PI是一个常量
double r = 5.0;
double area = PI * r * r;
PI = 300; // compile error!

常量在定义时进行初始化后就不可再次赋值，再次赋值会导致编译错误。

常量的作用是用有意义的变量名来避免魔术数字（Magic number），例如，不要在代码中到处写3.14，而是定义一个常量。如果将来需要提高计算精度，我们只需要在常量的定义处修改，例如，改成3.1416，而不必在所有地方替换3.14。

根据习惯，常量名通常全部大写。

定义变量时，要遵循作用域最小化原则，尽量将变量定义在尽可能小的作用域，并且，不要重复使用变量名。

小结

Java提供了两种变量类型：基本类型和引用类型

基本类型包括整型，浮点型，布尔型，字符型。

变量可重新赋值，等号是赋值语句，不是数学意义的等号。

常量在初始化后不可重新赋值，使用常量便于理解程序意图

整数运算

 Java的整数运算遵循四则运算规则，可以使用任意嵌套的小括号。四则运算规则和初等数学一致。例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int i = (100 + 200) * (99 - 88); // 3300
        int n = 7 * (5 + (i - 9)); // 23072
        System.out.println(i);
        System.out.println(n);
    }
}

整数的数值表示不但是精确的，而且整数运算永远是精确的，即使是除法也是精确的，因为两个整数相除只能得到结果的整数部分：

int x = 12345 / 67; // 184

求余运算使用%：

int y = 12345 % 67; // 12345÷67的余数是17

特别注意：整数的除法对于除数为0时运行时将报错，但编译不会报错。

溢出

要特别注意，整数由于存在范围限制，如果计算结果超出了范围，就会产生溢出，而溢出不会出错，却会得到一个奇怪的结果

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 2147483640;
        int y = 15;
        int sum = x + y;
        System.out.println(sum); // -2147483641
    }
}

要解释上述结果，我们把整数2147483640和15换成二进制做加法：

  0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000
+ 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111
-----------------------------------------
  1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111

由于最高位计算结果为1，因此，加法结果变成了一个负数。

要解决上面的问题，可以把int换成long类型，由于long可表示的整型范围更大，所以结果就不会溢出：

long x = 2147483640;
long y = 15;
long sum = x + y;
System.out.println(sum); // 2147483655

还有一种简写的运算符，即+=，-=，*=，/=，它们的使用方法如下：

n += 100; // 3409, 相当于 n = n + 100;
n -= 100; // 3309, 相当于 n = n - 100;

自增/自减

Java还提供了++运算和--运算，它们可以对一个整数进行加1和减1的操作：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 3300;
        n++; // 3301, 相当于 n = n + 1;
        n--; // 3300, 相当于 n = n - 1;
        int y = 100 + (++n); // 不要这么写
        System.out.println(y);
    }
}

注意++写在前面和后面计算结果是不同的，++n表示先加1再引用n，n++表示先引用n再加1。不建议把++运算混入到常规运算中，容易自己把自己搞懵了。

移位运算

在计算机中，整数总是以二进制的形式表示。例如，int类型的整数7使用4字节表示的二进制如下：

00000000 0000000 0000000 00000111

可以对整数进行移位运算。对整数7左移1位将得到整数14，左移两位将得到整数28：

int n = 7;       // 00000000 00000000 00000000 00000111 = 7
int a = n << 1;  // 00000000 00000000 00000000 00001110 = 14
int b = n << 2;  // 00000000 00000000 00000000 00011100 = 28
int c = n << 28; // 01110000 00000000 00000000 00000000 = 1879048192
int d = n << 29; // 11100000 00000000 00000000 00000000 = -536870912

左移29位时，由于最高位变成1，因此结果变成了负数。

类似的，对整数28进行右移，结果如下：

int n = 7;       // 00000000 00000000 00000000 00000111 = 7
int a = n >> 1;  // 00000000 00000000 00000000 00000011 = 3
int b = n >> 2;  // 00000000 00000000 00000000 00000001 = 1
int c = n >> 3;  // 00000000 00000000 00000000 00000000 = 0

如果对一个负数进行右移，最高位的1不动，结果仍然是一个负数

int n = -536870912;
int a = n >> 1;  // 11110000 00000000 00000000 00000000 = -268435456
int b = n >> 2;  // 10111000 00000000 00000000 00000000 = -134217728
int c = n >> 28; // 11111111 11111111 11111111 11111110 = -2
int d = n >> 29; // 11111111 11111111 11111111 11111111 = -1

还有一种不带符号的右移运算，使用>>>，它的特点是符号位跟着动，因此，对一个负数进行>>>右移，它会变成正数，原因是最高位的1变成了0：

int n = -536870912;
int a = n >>> 1;  // 01110000 00000000 00000000 00000000 = 1879048192
int b = n >>> 2;  // 00111000 00000000 00000000 00000000 = 939524096
int c = n >>> 29; // 00000000 00000000 00000000 00000111 = 7
int d = n >>> 31; // 00000000 00000000 00000000 00000001 = 1

对byte和short类型进行移位时，会首先转换为int再进行位移。

仔细观察可发现，左移实际上就是不断地×2，右移实际上就是不断地÷2。

 

位运算

位运算是按位进行与、或、非和异或的运算。

与运算的规则是，必须两个数同时为1，结果才为1：

n = 0 & 0; // 0
n = 0 & 1; // 0
n = 1 & 0; // 0
n = 1 & 1; // 1

或运算的规则是，只要任意一个为1，结果就为1：

n = 0 | 0; // 0
n = 0 | 1; // 1
n = 1 | 0; // 1
n = 1 | 1; // 1

非运算的规则是，0和1互换：

n = ~0; // 1
n = ~1; // 0

异或运算的规则是，如果两个数不同，结果为1，否则为0：

n = 0 ^ 0; // 0
n = 0 ^ 1; // 1
n = 1 ^ 0; // 1
n = 1 ^ 1; // 0

对两个整数进行位运算，实际上就是按位对齐，然后依次对每一位进行运算。例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 167776589; // 00001010 00000000 00010001 01001101
        int n = 167776512; // 00001010 00000000 00010001 00000000
        System.out.println(i & n); // 167776512
    }
}

上述按位与运算实际上可以看作两个整数表示的IP地址10.0.17.77和10.0.17.0，通过与运算，可以快速判断一个IP是否在给定的网段内。

运算优先级

在Java的计算表达式中，运算优先级从高到低依次是：

• ()
• ! ~ ++ --
• * / %
• + -
• << >> >>>
• &
• |
• += -= *= /=

类型自动提升与强制转型

在运算过程中，如果参与运算的两个数类型不一致，那么计算结果为较大类型的整型。例如，short和int计算，结果总是int，原因是short首先自动被转型为int：

// 类型自动提升与强制转型

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        short s = 1234;
        int i = 123456;
        int x = s + i; // s自动转型为int
        short y = s + i; // 编译错误!
    }
}

也可以将结果强制转型，即将大范围的整数转型为小范围的整数。强制转型使用(类型)，例如，将int强制转型为short：

int i = 12345;
short s = (short) i; // 12345

要注意，超出范围的强制转型会得到错误的结果，原因是转型时，int的两个高位字节直接被扔掉，仅保留了低位的两个字节

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int i1 = 1234567;
        short s1 = (short) i1; // -10617
        System.out.println(s1);
        int i2 = 12345678;
        short s2 = (short) i2; // 24910
        System.out.println(s2);
    }
}

因此，强制转型的结果很可能是错的。

 整数运算的结果永远是精确的；

运算结果会自动提升；

可以强制转型，但超出范围的强制转型会得到错误的结果；

应该选择合适范围的整型（int或long），没有必要为了节省内存而使用byte和short进行整数运算。