Java基础知识(三)

Jie2024-11-192024-11-20

基本数据类型

Java 的基本数据类型

Java 中有 8 种基本数据类型，分别为：

6 种数字类型：
- 4 种整数型：byte、short、int、long
- 2 种浮点型：float、double
1 种字符类型：char
1 种布尔型：boolean。

这 8 种基本数据类型的默认值以及所占空间的大小如下：

基本类型	位数	字节	默认值	取值范围
`byte`	8	1	0	-128 ~ 127
`short`	16	2	0	-32768（-2^15） ~ 32767（2^15 - 1）
`int`	32	4	0	-2147483648 ~ 2147483647
`long`	64	8	0L	-9223372036854775808（-2^63） ~ 9223372036854775807（2^63 -1）
`char`	16	2	‘u0000’	0 ~ 65535（2^16 - 1）
`float`	32	4	0f	1.4E-45 ~ 3.4028235E38
`double`	64	8	0d	4.9E-324 ~ 1.7976931348623157E308
`boolean`	1		false	true、false

可以看到，像 byte、short、int、long能表示的最大正数都减 1 了。这是为什么呢？这是因为在二进制补码表示法中，最高位是用来表示符号的（0 表示正数，1 表示负数），其余位表示数值部分。所以，如果我们要表示最大的正数，我们需要把除了最高位之外的所有位都设为 1。如果我们再加 1，就会导致溢出，变成一个负数。

对于 boolean，官方文档未明确定义，它依赖于 JVM 厂商的具体实现。逻辑上理解是占用 1 位，但是实际中会考虑计算机高效存储因素。

另外，Java 的每种基本类型所占存储空间的大小不会像其他大多数语言那样随机器硬件架构的变化而变化。这种所占存储空间大小的不变性是 Java 程序比用其他大多数语言编写的程序更具可移植性的原因之一（《Java 编程思想》2.2 节有提到）。

注意：

Java 里使用 long 类型的数据一定要在数值后面加上 L，否则将作为整型解析。
Java 里使用 float 类型的数据一定要在数值后面加上 f 或 F，否则将无法通过编译。
char a = 'h'char :单引号，String a = "hello" :双引号。

这八种基本类型都有对应的包装类分别为：Byte、Short、Integer、Long、Float、Double、Character、Boolean 。

基本类型和包装类型的区别

用途：除了定义一些常量和局部变量之外，我们在其他地方比如方法参数、对象属性中很少会使用基本类型来定义变量。并且，包装类型可用于泛型，而基本类型不可以。
存储方式：基本数据类型的局部变量存放在 Java 虚拟机栈中的局部变量表中，基本数据类型的成员变量（未被 static 修饰）存放在 Java 虚拟机的堆中。包装类型属于对象类型，我们知道几乎所有对象实例都存在于堆中。
占用空间：相比于包装类型（对象类型），基本数据类型占用的空间往往非常小。
默认值：成员变量包装类型不赋值就是 null ，而基本类型有默认值且不是 null。
比较方式：对于基本数据类型来说，== 比较的是值。对于包装数据类型来说，== 比较的是对象的内存地址。所有整型包装类对象之间值的比较，全部使用 equals() 方法。

为什么说是几乎所有对象实例都存在于堆中呢？ 这是因为 HotSpot 虚拟机引入了 JIT 优化之后，会对对象进行逃逸分析，如果发现某一个对象并没有逃逸到方法外部，那么就可能通过标量替换来实现栈上分配，而避免堆上分配内存

⚠️ 注意：基本数据类型存放在栈中是一个常见的误区！ 基本数据类型的存储位置取决于它们的作用域和声明方式。如果它们是局部变量，那么它们会存放在栈中；如果它们是成员变量，那么它们会存放在堆/方法区/元空间中。

public class Test {
    // 成员变量，存放在堆中
    int a = 10;
    // 被 static 修饰的成员变量，JDK 1.7 及之前位于方法区，1.8 后存放于元空间，均不存放于堆中。
    // 变量属于类，不属于对象。
    static int b = 20;

    public void method() {
        // 局部变量，存放在栈中
        int c = 30;
        static int d = 40; // 编译错误，不能在方法中使用 static 修饰局部变量
    }
}

包装类型的缓存机制了解么？

Java 基本数据类型的包装类型的大部分都用到了缓存机制来提升性能。

Byte,Short,Integer,Long 这 4 种包装类默认创建了数值 [-128，127] 的相应类型的缓存数据，Character 创建了数值在 [0,127] 范围的缓存数据，Boolean 直接返回 True or False。

Integer 缓存源码：

public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}
private static class IntegerCache {
    static final int low = -128;
    static final int high;
    static {
        // high value may be configured by property
        int h = 127;
    }
}

Character 缓存源码:

public static Character valueOf(char c) {
    if (c <= 127) { // must cache
      return CharacterCache.cache[(int)c];
    }
    return new Character(c);
}

private static class CharacterCache {
    private CharacterCache(){}
    static final Character cache[] = new Character[127 + 1];
    static {
        for (int i = 0; i < cache.length; i++)
            cache[i] = new Character((char)i);
    }

}

Boolean 缓存源码：

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public static Boolean valueOf(boolean b) {
    return (b ? TRUE : FALSE);
}

如果超出对应范围仍然会去创建新的对象，缓存的范围区间的大小只是在性能和资源之间的权衡。

两种浮点数类型的包装类 Float,Double 并没有实现缓存机制。

Integer i1 = 33;
Integer i2 = 33;
System.out.println(i1 == i2);// 输出 true

Float i11 = 333f;
Float i22 = 333f;
System.out.println(i11 == i22);// 输出 false

Double i3 = 1.2;
Double i4 = 1.2;
System.out.println(i3 == i4);// 输出 false

下面我们来看一个问题：下面的代码的输出结果是 true 还是 false 呢？

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Integer i1 = 40;
Integer i2 = new Integer(40);
System.out.println(i1==i2);

Integer i1=40 这一行代码会发生装箱，也就是说这行代码等价于 Integer i1=Integer.valueOf(40) 。因此，i1 直接使用的是缓存中的对象。而Integer i2 = new Integer(40) 会直接创建新的对象。

因此，答案是 false 。你答对了吗？

记住：所有整型包装类对象之间值的比较，全部使用 equals 方法比较。

自动装箱与拆箱了解吗？原理是什么？

什么是自动拆装箱？

装箱：将基本类型用它们对应的引用类型包装起来；
拆箱：将包装类型转换为基本数据类型；

举例：

1 2	Integer i = 10; //装箱 int n = i; //拆箱

上面这两行代码对应的字节码为：

L1

 LINENUMBER 8 L1

 ALOAD 0

 BIPUSH 10

 INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf (I)Ljava/lang/Integer;

 PUTFIELD AutoBoxTest.i : Ljava/lang/Integer;

L2

 LINENUMBER 9 L2

 ALOAD 0

 ALOAD 0

 GETFIELD AutoBoxTest.i : Ljava/lang/Integer;

 INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I

 PUTFIELD AutoBoxTest.n : I

 RETURN

从字节码中，我们发现装箱其实就是调用了包装类的valueOf()方法，拆箱其实就是调用了 xxxValue()方法。

因此，

Integer i = 10 等价于 Integer i = Integer.valueOf(10)
int n = i 等价于 int n = i.intValue();

注意：如果频繁拆装箱的话，也会严重影响系统的性能。我们应该尽量避免不必要的拆装箱操作。

private static long sum() {
    // 应该使用 long 而不是 Long
    Long sum = 0L;
    for (long i = 0; i <= Integer.MAX_VALUE; i++)
        sum += i;
    return sum;
}

为什么浮点数运算的时候会有精度丢失的风险？

浮点数运算精度丢失代码演示：

float a = 2.0f - 1.9f;
float b = 1.8f - 1.7f;
System.out.println(a);// 0.100000024
System.out.println(b);// 0.099999905
System.out.println(a == b);// false

为什么会出现这个问题呢？

这个和计算机保存浮点数的机制有很大关系。我们知道计算机是二进制的，而且计算机在表示一个数字时，宽度是有限的，无限循环的小数存储在计算机时，只能被截断，所以就会导致小数精度发生损失的情况。这也就是解释了为什么浮点数没有办法用二进制精确表示。

就比如说十进制下的 0.2 就没办法精确转换成二进制小数：

// 0.2 转换为二进制数的过程为，不断乘以 2，直到不存在小数为止，
// 在这个计算过程中，得到的整数部分从上到下排列就是二进制的结果。
0.2 * 2 = 0.4 -> 0
0.4 * 2 = 0.8 -> 0
0.8 * 2 = 1.6 -> 1
0.6 * 2 = 1.2 -> 1
0.2 * 2 = 0.4 -> 0（发生循环）
...

关于浮点数的更多内容，建议看一下计算机系统基础（四）浮点数这篇文章。

如何解决浮点数运算的精度丢失问题？

BigDecimal 可以实现对浮点数的运算，不会造成精度丢失。通常情况下，大部分需要浮点数精确运算结果的业务场景（比如涉及到钱的场景）都是通过 BigDecimal 来做的。

BigDecimal a = new BigDecimal("1.0");
BigDecimal b = new BigDecimal("1.00");
BigDecimal c = new BigDecimal("0.8");

BigDecimal x = a.subtract(c);
BigDecimal y = b.subtract(c);

System.out.println(x); /* 0.2 */
System.out.println(y); /* 0.20 */
// 比较内容，不是比较值
System.out.println(Objects.equals(x, y)); /* false */
// 比较值相等用相等compareTo，相等返回0
System.out.println(0 == x.compareTo(y)); /* true */

关于 BigDecimal 的详细介绍，可以看看我写的这篇文章：BigDecimal 详解。

超过 long 整型的数据应该如何表示？

基本数值类型都有一个表达范围，如果超过这个范围就会有数值溢出的风险。

在 Java 中，64 位 long 整型是最大的整数类型。

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long l = Long.MAX_VALUE;
System.out.println(l + 1); // -9223372036854775808
System.out.println(l + 1 == Long.MIN_VALUE); // true

BigInteger 内部使用 int[] 数组来存储任意大小的整形数据。

相对于常规整数类型的运算来说，BigInteger 运算的效率会相对较低。

变量

成员变量与局部变量的区别？

语法形式：从语法形式上看，成员变量是属于类的，而局部变量是在代码块或方法中定义的变量或是方法的参数；成员变量可以被 public,private,static 等修饰符所修饰，而局部变量不能被访问控制修饰符及 static 所修饰；但是，成员变量和局部变量都能被 final 所修饰。
存储方式：从变量在内存中的存储方式来看，如果成员变量是使用 static 修饰的，那么这个成员变量是属于类的，如果没有使用 static 修饰，这个成员变量是属于实例的。而对象存在于堆内存，局部变量则存在于栈内存。
生存时间：从变量在内存中的生存时间上看，成员变量是对象的一部分，它随着对象的创建而存在，而局部变量随着方法的调用而自动生成，随着方法的调用结束而消亡。
默认值：从变量是否有默认值来看，成员变量如果没有被赋初始值，则会自动以类型的默认值而赋值（一种情况例外:被 final 修饰的成员变量也必须显式地赋值），而局部变量则不会自动赋值。

为什么成员变量有默认值？

先不考虑变量类型，如果没有默认值会怎样？变量存储的是内存地址对应的任意随机值，程序读取该值运行会出现意外。
默认值有两种设置方式：手动和自动，根据第一点，没有手动赋值一定要自动赋值。成员变量在运行时可借助反射等方法手动赋值，而局部变量不行。
对于编译器（javac）来说，局部变量没赋值很好判断，可以直接报错。而成员变量可能是运行时赋值，无法判断，误报“没默认值”又会影响用户体验，所以采用自动赋默认值。

成员变量与局部变量代码示例：

public class VariableExample {

    // 成员变量
    private String name;
    private int age;

    // 方法中的局部变量
    public void method() {
        int num1 = 10; // 栈中分配的局部变量
        String str = "Hello, world!"; // 栈中分配的局部变量
        System.out.println(num1);
        System.out.println(str);
    }

    // 带参数的方法中的局部变量
    public void method2(int num2) {
        int sum = num2 + 10; // 栈中分配的局部变量
        System.out.println(sum);
    }

    // 构造方法中的局部变量
    public VariableExample(String name, int age) {
        this.name = name; // 对成员变量进行赋值
        this.age = age; // 对成员变量进行赋值
        int num3 = 20; // 栈中分配的局部变量
        String str2 = "Hello, " + this.name + "!"; // 栈中分配的局部变量
        System.out.println(num3);
        System.out.println(str2);
    }
}

静态变量有什么作用？

静态变量也就是被 static 关键字修饰的变量。它可以被类的所有实例共享，无论一个类创建了多少个对象，它们都共享同一份静态变量。也就是说，静态变量只会被分配一次内存，即使创建多个对象，这样可以节省内存。

静态变量是通过类名来访问的，例如StaticVariableExample.staticVar（如果被 private关键字修饰就无法这样访问了）。

public class StaticVariableExample {
    // 静态变量
    public static int staticVar = 0;
}

通常情况下，静态变量会被 final 关键字修饰成为常量。

public class ConstantVariableExample {
    // 常量
    public static final int constantVar = 0;
}

字符型常量和字符串常量的区别?

形式 : 字符常量是单引号引起的一个字符，字符串常量是双引号引起的 0 个或若干个字符。
含义 : 字符常量相当于一个整型值( ASCII 值),可以参加表达式运算; 字符串常量代表一个地址值(该字符串在内存中存放位置)。
占内存大小：字符常量只占 2 个字节; 字符串常量占若干个字节。

⚠️ 注意 char 在 Java 中占两个字节。

字符型常量和字符串常量代码示例：

public class StringExample {
    // 字符型常量
    public static final char LETTER_A = 'A';

    // 字符串常量
    public static final String GREETING_MESSAGE = "Hello, world!";
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("字符型常量占用的字节数为："+Character.BYTES);
        System.out.println("字符串常量占用的字节数为："+GREETING_MESSAGE.getBytes().length);
    }
}

输出：

1 2	字符型常量占用的字节数为：2 字符串常量占用的字节数为：13

方法

什么是方法的返回值?方法有哪几种类型？

方法的返回值 是指我们获取到的某个方法体中的代码执行后产生的结果！（前提是该方法可能产生结果）。返回值的作用是接收出结果，使得它可以用于其他的操作！

我们可以按照方法的返回值和参数类型将方法分为下面这几种：

1、无参数无返回值的方法

public void f1() {
    //......
}
// 下面这个方法也没有返回值，虽然用到了 return
public void f(int a) {
    if (...) {
        // 表示结束方法的执行,下方的输出语句不会执行
        return;
    }
    System.out.println(a);
}

2、有参数无返回值的方法

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public void f2(Parameter 1, ..., Parameter n) {
    //......
}

3、有返回值无参数的方法

public int f3() {
    //......
    return x;
}

4、有返回值有参数的方法

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3

public int f4(int a, int b) {
    return a * b;
}

静态方法为什么不能调用非静态成员?

这个需要结合 JVM 的相关知识，主要原因如下：

静态方法是属于类的，在类加载的时候就会分配内存，可以通过类名直接访问。而非静态成员属于实例对象，只有在对象实例化之后才存在，需要通过类的实例对象去访问。
在类的非静态成员不存在的时候静态方法就已经存在了，此时调用在内存中还不存在的非静态成员，属于非法操作。

public class Example {
    // 定义一个字符型常量
    public static final char LETTER_A = 'A';

    // 定义一个字符串常量
    public static final String GREETING_MESSAGE = "Hello, world!";

    public static void main(String[] args) {
        // 输出字符型常量的值
        System.out.println("字符型常量的值为：" + LETTER_A);

        // 输出字符串常量的值
        System.out.println("字符串常量的值为：" + GREETING_MESSAGE);
    }
}

静态方法和实例方法有何不同？

1、调用方式

在外部调用静态方法时，可以使用 类名.方法名 的方式，也可以使用 对象.方法名 的方式，而实例方法只有后面这种方式。也就是说，调用静态方法可以无需创建对象 。

不过，需要注意的是一般不建议使用 对象.方法名 的方式来调用静态方法。这种方式非常容易造成混淆，静态方法不属于类的某个对象而是属于这个类。

因此，一般建议使用 类名.方法名 的方式来调用静态方法。

public class Person {
    public void method() {
      //......
    }

    public static void staicMethod(){
      //......
    }
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        // 调用实例方法
        person.method();
        // 调用静态方法
        Person.staicMethod()
    }
}

2、访问类成员是否存在限制

静态方法在访问本类的成员时，只允许访问静态成员（即静态成员变量和静态方法），不允许访问实例成员（即实例成员变量和实例方法），而实例方法不存在这个限制。

重载和重写有什么区别？

重载就是同样的一个方法能够根据输入数据的不同，做出不同的处理
重写就是当子类继承自父类的相同方法，输入数据一样，但要做出有别于父类的响应时，你就要覆盖父类方法

重载

发生在同一个类中（或者父类和子类之间），方法名必须相同，参数类型不同、个数不同、顺序不同，方法返回值和访问修饰符可以不同。

《Java 核心技术》这本书是这样介绍重载的：

如果多个方法(比如 StringBuilder 的构造方法)有相同的名字、不同的参数，便产生了重载。
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StringBuilder sb = new StringBuilder();
StringBuilder sb2 = new StringBuilder("HelloWorld");
编译器必须挑选出具体执行哪个方法，它通过用各个方法给出的参数类型与特定方法调用所使用的值类型进行匹配来挑选出相应的方法。如果编译器找不到匹配的参数，就会产生编译时错误，因为根本不存在匹配，或者没有一个比其他的更好(这个过程被称为重载解析(overloading resolution))。
Java 允许重载任何方法，而不只是构造器方法。

综上：重载就是同一个类中多个同名方法根据不同的传参来执行不同的逻辑处理。

重写

重写发生在运行期，是子类对父类的允许访问的方法的实现过程进行重新编写。

方法名、参数列表必须相同，子类方法返回值类型应比父类方法返回值类型更小或相等，抛出的异常范围小于等于父类，访问修饰符范围大于等于父类。
如果父类方法访问修饰符为 private/final/static 则子类就不能重写该方法，但是被 static 修饰的方法能够被再次声明。
构造方法无法被重写

总结

综上：重写就是子类对父类方法的重新改造，外部样子不能改变，内部逻辑可以改变。

区别点	重载方法	重写方法
发生范围	同一个类	子类
参数列表	必须修改	一定不能修改
返回类型	可修改	子类方法返回值类型应比父类方法返回值类型更小或相等
异常	可修改	子类方法声明抛出的异常类应比父类方法声明抛出的异常类更小或相等；
访问修饰符	可修改	一定不能做更严格的限制（可以降低限制）
发生阶段	编译期	运行期

方法的重写要遵循“两同两小一大”

“两同”即方法名相同、形参列表相同；
“两小”指的是子类方法返回值类型应比父类方法返回值类型更小或相等，子类方法声明抛出的异常类应比父类方法声明抛出的异常类更小或相等；
“一大”指的是子类方法的访问权限应比父类方法的访问权限更大或相等。

⭐️ 关于 重写的返回值类型 这里需要额外多说明一下，上面的表述不太清晰准确：如果方法的返回类型是 void 和基本数据类型，则返回值重写时不可修改。但是如果方法的返回值是引用类型，重写时是可以返回该引用类型的子类的。

public class Hero {
    public String name() {
        return "超级英雄";
    }
}
public class SuperMan extends Hero{
    @Override
    public String name() {
        return "超人";
    }
    public Hero hero() {
        return new Hero();
    }
}

public class SuperSuperMan extends SuperMan {
    @Override
    public String name() {
        return "超级超级英雄";
    }

    @Override
    public SuperMan hero() {
        return new SuperMan();
    }
}

可变长参数

从 Java5 开始，Java 支持定义可变长参数，所谓可变长参数就是允许在调用方法时传入不定长度的参数。就比如下面这个方法就可以接受 0 个或者多个参数。

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public static void method1(String... args) {
   //......
}

另外，可变参数只能作为函数的最后一个参数，但其前面可以有也可以没有任何其他参数。

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public static void method2(String arg1, String... args) {
   //......
}

遇到方法重载的情况怎么办呢？会优先匹配固定参数还是可变参数的方法呢？

答案是会优先匹配固定参数的方法，因为固定参数的方法匹配度更高。

我们通过下面这个例子来证明一下。

public class VariableLengthArgument {

    public static void printVariable(String... args) {
        for (String s : args) {
            System.out.println(s);
        }
    }

    public static void printVariable(String arg1, String arg2) {
        System.out.println(arg1 + arg2);
    }

    public static void main(String[] args) {
        printVariable("a", "b");
        printVariable("a", "b", "c", "d");
    }
}

输出：

ab
a
b
c
d

另外，Java 的可变参数编译后实际会被转换成一个数组，我们看编译后生成的 class文件就可以看出来了。

public class VariableLengthArgument {

    public static void printVariable(String... args) {
        String[] var1 = args;
        int var2 = args.length;

        for(int var3 = 0; var3 < var2; ++var3) {
            String s = var1[var3];
            System.out.println(s);
        }

    }
    // ......
}

参考链接

参考自：https://github.com/xingstar520/JavaGuide/tree/main