【軟件構造】第三章第一節 數據類型與類型檢查

第三章第一節 數據類型與類型檢查

　　本章將介紹軟件構造的理論基礎——ADT，軟件構造的技術基礎——OOP

Outline

• 數據類型
  • 基本數據類型
  • 對象數據類型
• 類型檢查
  • 靜態類型檢查
  • 動態類型檢查
• 可變性與不可變性
• 不可變性
• 可變性
• 防護性拷貝
• 快照圖（Snapshot diagram）

Notes

##數據類型及其表達

 【基本數據類型】（引自 菜鳥教程）

　　Java語言提供了八種基本類型。六種數字類型（四個整數型，兩個浮點型），一種字符類型，還有一種布爾型。

• byte：數據類型是8位、有符號的，以二進制補碼錶示的整數；
• 最小值是 -128（-2^7）；最大值是 127（2^7-1）；默認值是 0；
• byte 類型用在大型數組中節約空間，主要代替整數，由於 byte 變量佔用的空間只有 int 類型的四分之一；
• short：數據類型是 16 位、有符號的以二進制補碼錶示的整數
• 最小值是 -32768（-2^15）；最大值是 32767（2^15 - 1）；默認值是 0；
• Short 數據類型也能夠像 byte 那樣節省空間。一個short變量是int型變量所佔空間的二分之一；
• int：數據類型是32位、有符號的以二進制補碼錶示的整數；
• 最小值是（-2^31）；最大值是 （2^31 - 1）；默認值是0；
• 通常地整型變量默認爲 int 類型；
• long：數據類型是 64 位、有符號的以二進制補碼錶示的整數；
• 最小值是 （-2^63）；最大值是 （2^63 -1）；默認值是 0L；
• 這種類型主要使用在須要比較大整數的系統上；
• float：數據類型是單精度、32位、符合IEEE 754標準的浮點數；
• float 在儲存大型浮點數組的時候可節省內存空間；
• 默認值是 0.0f；
• double：數據類型是雙精度、64 位、符合IEEE 754標準的浮點數；
• 浮點數的默認類型爲double類型；
• double類型一樣不能表示精確的值，如貨幣；
• 默認值是 0.0d；
• boolean：數據類型表示一位的信息；
• 只有兩個取值：true 和 false；
• 默認值是 false；
• char：是一個單一的 16 位 Unicode 字符
• 最小值是 \u0000（即爲0）；最大值是 \uffff（即爲65,535）；
• char 數據類型能夠儲存任何字符；例子：char letter = 'A';

 【對象數據結構】

• 對象：對象是類的一個實例，有狀態和行爲。
• 類：類是一個模板，它描述一類對象的行爲和狀態。
• Java做爲一種面嚮對象語言，支持多態、繼承、封裝、抽象、重載等概念（Java教程）

【包裝類】

• 對於包裝類說，這些類的用途主要包含兩種：
  • 做爲和基本數據類型對應的類類型存在，方便涉及到對象的操做。
  • 包含每種基本數據類型的相關屬性如最大值、最小值等，以及相關的操做方法。
• java中有八種基本數據類型對應的封裝類型是：Integer(BigInteger表示一個任意大小的整數),Double ,Long ,Float, Short,Byte,Character,Boolean;
• 包裝類的效率更低，編譯器會自動進行轉換；
• 參考 Java API java.lang

 

## 類型檢查

　　Java是一種靜態類型的語言；全部變量的類型在編譯的時候就已經知道了（程序尚未運行），因此編譯器也能夠測出每個表達式的類型。在動態類型語言中（例如Python），這種類型檢查是發生在程序運行的時候。

【動態檢查】關於「值」的檢查

• bug在運行中被發現
• 傾向於檢查特定值纔出發的錯誤
• 動態分析檢查的類型：
  • 非法的變量值。例如整型變量x、y，表達式x/y 只有在運行後y爲0纔會報錯，不然就是正確的。
  • 非法的返回值。例如最後獲得的返回值沒法用聲明的類型來代表。
  • 越界訪問。例如在一個字符串中使用一個負數索引。
  • 空指針，使用一個null 對象解引用。

【靜態檢查】：關於「類型」的檢查

• 靜態檢查>>動態檢查>>無檢查
• 在編譯階段發現錯誤，避免將錯誤帶入到運行階段，提升程序的正確性\健壯性
• 靜態分析檢查的類型
  • 語法錯誤，例如多餘的標點符號或者錯誤的關鍵詞。即便在動態類型的語言例如Python中也會作這種檢查：若是你有一個多餘的縮進，在運行以前就能發現它。
  • 類名\函數名錯誤，例如Math.sine(2) . (應該是 sin )
  • 參數數目錯誤，例如 Math.sin(30, 20) 
  • 參數的型錯誤 Math.sin("30") 
  • 返回值類型錯誤 ，例如⼀個聲明返回 int 類型函數 return "30」

• 更多 關於靜態\動態檢查 請查看 MIT Software Construction Reading 1

 

## 可變性和不可變性

• 改變一個變量：是將該變量指向另外一個值得存儲空間
• 改變一個變量的值：是將該變量當前指向的值的存儲空間中寫入一個新的值

【不變性】（immutability）

• final 變量能被顯式地初始化而且只能初始化一次。不變數據類型，一旦被建立，值不可修改；
• 基本類型及其封裝對象類型都是不可變的
• 不可變的引用是指一旦指定引用位置後，不可再次指定。
• 若是編譯器不能肯定final變量不會改變，就提示錯誤，這也是靜態類型檢查的一部分
• 注意：
  • final類沒法派生子類
  • final變量沒法改變值/引用
  • final方法沒法被子類重寫

【可變性】（mutability）

• 不變對象：一旦被建立，始終指向同個值/引用 
• 可變對象：擁有方法以修改本身的值/引用
• Sting與StingBuilder
  • String：不可變數據類型，在修改時必須建立一個新的String對象

    String s = "a";
    a = s + "b";//s = s.concat("b");

  • StringBuilder:可改變的數據類型，能夠直接修改對象的值

    StringBuilder sb = new StringBuilder("a");
    sb.append("b");

 【可變性與不可變性的優缺點】

• 可變數據類型最小化的拷貝以提升效率；使用 不可變類型，對其頻繁修改會產生大量的臨時拷貝 (須要垃圾回收 )
• 可變數據類型，可得到更好的效能；
• 可變數據類型也適合在多個模塊之間共享數據；
• 不可變數據類型更安全，更易於理解，也更方便改變；

 【防護性拷貝】

• 若是一個方法或構造函數容許可變對象進/出，那麼就要考慮一下使用者是否有可能改變它。若是是的話，那你必須對該對象進行保護性拷貝，使進入方法內部的對象是外部時的拷貝而不它自己（由於外部的對象有可能還會被改變）。

• public Date getEnd() {  
       return new Date(end.getTime());  
  }  //示例請參考 TKD03072010的專欄

   

## 快照圖(Snapshot diagram)

• 基本類型的值：原始值由裸露的常量表示。傳入箭頭引用變量或對象字段的值。

• 對象類型的值：一個對象值是一個由它的類型標記的圓。當咱們想要顯示更多的細節時，咱們在它裏面寫字段名稱，箭頭指向他們的值。 

• 不可變對象：用雙線橢圓。

• 不可變的引用：用雙線箭頭

  • 引用時不可變的，但指向的值能夠是可變的
  • 可變的引用，也可指向不可變的值