第3章：抽象數據類型（ADT）和麪向對象編程（OOP） 3.1數據類型和類型檢查

大綱

1.編程語言中的數據類型
2.靜態與動態數據類型
3.類型檢查
4.易變性和不變性
5.快照圖
6.複雜的數據類型：數組和集合
7.有用的不可變類型
8.空引用
9.總結

編程語言中的數據類型

類型和變量

類型是一組值，以及能夠對這些值執行的操做。
變量：存儲一個特定類型值的命名位置

Java中的類型

Java有幾種基本類型，例如：

• int（對於像5和-200這樣的整數，但限於±2 ^ 31或大約±20億的範圍）
• 長（對於大於±2 ^ 63的整數）
• 布爾值（對於true或false）
• 雙精度浮點數（表明實數的一個子集）
• char（單個字符，如'A'和'$'）

Java也有對象類型，例如：

• 字符串表示一系列字符。
• BigInteger表示一個任意大小的整數。

按照Java約定，基本類型是小寫字母，而對象類型以大寫字母開頭。

對象類型的層次結構

根是Object（全部非基元都是對象）

• 除Object之外的全部類都有一個父類，使用extends子句指定

class Guitar extends Instrument { ... }
若是省略了子句，則默認爲Object
一個類是其全部超類的一個實例

• 從其超類繼承可見的字段和方法
• 能夠覆蓋（Override）方法來改變他們的行爲

包裝的基本類型

用於原始類型的不變容器
– Boolean, Integer, Short, Long, Character, Float, Double
典型用例是集合
除非你必須使用包裝的基本類型！
語言自動包裝和自動解包裝

運算符

運算符：執行簡單計算的符號

• 賦值：=
• 加法：+
• 減法： -
• 乘法：*
• 除法：/

操做順序：遵循標準的數學規則

• 1.括號
• 2.乘法和除法
• 3.加法和減法

字符串鏈接（+）

操做

操做是獲取輸入和生成輸出的函數（有時會自行更改值）。

• 做爲中綴，前綴或後綴運算符。 例如，a + b調用操做+：int×int→int。
• 做爲一個對象的方法。 例如，bigint1.add（bigint2）調用操做add：BigInteger×BigInteger→BigInteger。
• 做爲一項功能。 例如，Math.sin（theta）調用sin：double→double操做。 在這裏，數學不是一個對象。 這是包含sin函數的類。

重載操做符/操做

一些操做被重載，由於相同的操做名稱用於不一樣的類型
對於Java中的數字基本數據類型，算術運算符+， - ，*，/會嚴重重載。
方法也能夠重載。 大多數編程語言都有必定程度的重載。
（將在3.3節OOP中討論）

靜態輸入與動態輸入

Java是一種靜態類型的語言。

• 全部變量的類型在編譯時已知（在程序運行以前），所以編譯器也能夠推導出全部表達式的類型。
• 若是將a和b聲明爲int，則編譯器得出結論a + b也是int。
• 在編寫代碼時，Eclipse環境會執行此操做，事實上，您仍然能夠在輸入時瞭解許多錯誤。
• 在編譯階段進行類型檢查

在像Python這樣的動態類型語言中，這種檢查被推遲到運行時（程序運行時）。

3.類型檢查

靜態檢查和動態檢查

一種語言能夠提供的三種自動檢查：

• 靜態檢查：在程序運行以前會自動發現錯誤。
• 動態檢查：執行代碼時會自動發現錯誤。
• 不檢查：語言根本無助於您找到錯誤。 你必須親自觀察，不然最終會獲得錯誤的答案。

不用說，靜態捕獲一個bug比動態捕獲它要好，動態捕獲它比根本沒有捕獲它要好。

靜態檢查

靜態檢查意味着在編譯時檢查錯誤。
錯誤是編程的禍根。
靜態類型能夠防止大量的錯誤感染程序：準確地說，經過對錯誤類型的參數應用操做而致使的錯誤。
若是你寫了一行代碼，如：「5」*「6」，它試圖乘以兩個字符串，那麼靜態類型在編程時會捕獲這個錯誤，而不是等到執行過程當中到達該行。

• 語法錯誤，如額外的標點符號或假詞。 即便是像Python這樣的動態類型語言也能夠進行這種靜態檢查。
• 錯誤的名字，如Math.sine（2）。 （正確的名字是sin）
• 錯誤的參數數量，如Math.sin（30,20）。
• 錯誤的參數類型，如Math.sin（「30」）。
• 錯誤的返回類型，如返回「30」; 從聲明的函數返回一個int。

動態檢查

非法的參數值。 例如，當y實際上爲零時，整數表達式x / y只是錯誤的; 不然它將運行。 因此在這個表達式中，除零不是一個靜態錯誤，而是一個動態錯誤。

• 不具備表明性的返回值，即特定返回值沒法在類型中表示時。
• 超出範圍的索引，例如，在字符串上使用負值或太大的索引。
• 在空對象引用上調用方法。

靜態與動態檢查

靜態檢查每每是關於類型的，與變量具備的特定值無關的錯誤。

• 靜態類型保證了一個變量會從該集合中得到一些值，可是咱們直到運行時才知道它具備哪一個值。
• 因此若是錯誤只會被某些值引發，好比被零除或索引超出範圍，那麼編譯器不會引起關於它的靜態錯誤。

相比之下，動態檢查每每是由特定值引發的錯誤。

原始數據類型不是真正的數字

Java中的一個陷阱 - 以及其餘許多編程語言 - 就是它的原始數字類型具備不像咱們習慣的整數和實數那樣的特例。
結果，真正應該動態檢查的一些錯誤根本不被檢查。

• 整數除法：5/2不返回分數，它返回一個截斷的整數。
• 整數溢出。 若是計算結果過於積極或過於消極而沒法適應該有限範圍，則會悄然溢出並返回錯誤答案。 （沒有靜態/動態檢查！）例如，int big = 200000 * 200000;
• 浮點類型中的特殊值。 NaN（「不是數字」），POSITIVE_INFINITY和NEGATIVE_INFINITY。 例如，double a = 7/0;

4可變性和不變性

賦值

使用「=」給變量賦值
賦值能夠和變量聲明結合使用

更改變量或其值

改變變量和改變數值有什麼區別？

• 當你分配給變量時，你正在改變變量的箭頭指向的地方。 您能夠將其指向不一樣的值。
• 當分配給可變值的內容時（例如數組或列表），您將在該值內改變引用。

變化是必要的罪惡。
好的程序員能夠避免變化的事情，由於它們可能會意外地改變。

不變性

不變性是一個主要的設計原則。
不可變類型是一種類型，它們的值一旦建立就永遠不會改變。
Java也爲咱們提供了不可變的引用：一次賦值且永不從新賦值的變量。

• 爲了使引用不可變，用關鍵字final聲明它。

若是Java編譯器不肯定最終變量只會在運行時分配一次，那麼它將產生編譯器錯誤。 因此最終給你靜態檢查不可變引用。

最好使用final來聲明方法的參數和儘量多的局部變量。
像變量的類型同樣，這些聲明是重要的文檔，對代碼讀者頗有用，並由編譯器進行靜態檢查。
注意：

• fianl的類聲明意味着它不能被繼承。
• final變量意味着它始終包含相同的值/參考，但不能最終更改
• final方法意味着它不能被子類覆蓋

可變性和不變性

對象是不可變的：一旦建立，它們老是表示相同的值。
對象是可變的：它們具備改變對象值的方法。

字符串做爲不可變類型

字符串是不可變類型的一個例子。
一個String對象老是表示相同的字符串。
因爲String是不可變的，一旦建立，String對象始終具備相同的值。
要將某些內容添加到字符串的末尾，您必須建立一個新的String對象：

StringBuilder做爲一個可變類型

StringBuilder是一個可變類型的例子。
它具備刪除字符串部分，插入或替換字符等的方法
該類具備更改對象值的方法，而不只僅是返回新值：

可變類型的優勢

• 使用不可變的字符串，這會產生大量的臨時副本
• 得到良好的性能是咱們使用可變對象的一個緣由。
• 另外一個是方便共享：經過共享一個常見的可變數據結構，您的程序的兩個部分能夠更方便地進行通訊。
  「全局變量」
  可是你必須知道全局變量的缺點......

5快照圖做爲Code-level，Run-time，Moment視圖

快照圖

爲了理解微妙的問題，咱們能夠繪製運行時發生的事情的圖片。
快照圖在運行時表示程序的內部狀態 - 其堆棧（正在進行的方法及其局部變量）及其堆（當前存在的對象）。
爲何咱們使用快照圖表？

• 經過圖片相互交流。
• 爲了說明基本類型與對象類型，不可變值與不可變引用，指針別名，堆棧與堆，抽象與具體表示等概念。
• 幫助解釋您的團隊項目設計（彼此之間以及與您的技術援助相關）。
• 爲後續課程中豐富的設計符號鋪平道路。

可變值與從新分配變量

快照圖給咱們提供了一種可視化更改變量和更改值之間區別的方法：

• 當您分配給變量或字段時，您將更改變量的箭頭指向的位置。 您能夠將其指向不一樣的值。
• 當分配給可變值的內容時（例如數組或列表），您將在該值內改變引用。

快照圖中的基本類型和對象類型

基本類型的值

• 基本類型的值由裸常量表示。 傳入的箭頭是對來自變量或對象字段的值的引用。

對象類型的值

• 對象類型的值是由其類型標記的圓。
• 當咱們想要顯示更多細節時，咱們在其中寫入字段名稱，箭頭指向它們的值。 有關更詳細的信息，這些字段能夠包含它們的聲明類型。

從新分配和不可變的值

例如，若是咱們有一個字符串變量s，咱們能夠將其從「a」值從新分配給「ab」
String s =「a」;
s = s +「b」;
字符串是不可變類型的一個例子，一種類型的值一旦建立就永遠不會改變。
不變對象（它們的設計者打算始終表示相同的值）在快照圖中用雙邊框表示，就像咱們圖中的String對象同樣。

可變的值

相比之下，StringBuilder（一個內置的Java類）是一個可變對象，表示一串字符，而且它具備更改對象值的方法：
StringBuilder sb = new StringBuilder（「a」）;
sb.append（ 「B」）;
這兩個快照圖看起來很是不一樣，這是很好的：可變性和不可變性之間的差別將在使代碼免受bug影響方面發揮重要做用。

不變的引用

Java也爲咱們提供了不可變的引用：一次賦值且永不從新賦值的變量。 爲了使引用不可變，用關鍵字final聲明它：
final int n = 5;
若是Java編譯器不肯定最終變量只會在運行時分配一次，那麼它將產生編譯器錯誤。 因此最終給出了對不可變引用的靜態檢查。
在快照圖中，不可變引用（final）由雙箭頭表示。

6複雜的數據類型：數組和集合

數組

數組是另外一個類型T的固定長度序列。例如，下面是如何聲明一個數組變量並構造一個數組值以分配給它：
int [] a = new int [100];
int []數組類型包含全部可能的數組值，可是一旦建立了特定的數組值，永遠不會改變其長度。
數組類型的操做包括：

• 索引：a [2]
• 賦值：a [2] = 0
• 長度：a.length

列表

咱們使用List類型來代替固定長度的數組。
列表是另外一個類型T的可變長度序列。 List <Integer> list = new ArrayList <Integer>（）;
其部分操做：

• 索引：list.get（2）
• 賦值：list.set（2，0）
• 長度：list.size（）

注1：列表是一個接口
注2：列表中的成員必須是一個對象。

集合

Set是零個或多個惟一對象的無序集合。
一個對象不能屢次出如今一個集合中。 要麼它在或它不在。

• s1.contains（e）測試集合是否包含元素
• s1.containsAll（s2）測試是否s1⊇s2
• s1.removeAll（s2）從s1移除s2

Set是一個抽象接口

地圖

地圖相似於字典（key）

• map.put（key，val）添加映射key→val
• map.get（key）獲取一個key的值
• map.containsKey（key）測試地圖是否有key
• map.remove（key）刪除映射

地圖是一個抽象界面

聲明List，Set和Map變量

使用Java集合，咱們能夠限制集合中包含的對象的類型。
當咱們添加一個項目時，編譯器能夠執行靜態檢查，以確保咱們只添加適當類型的項目。
而後，當咱們取出一個對象時，咱們保證它的類型將是咱們所指望的。

建立List，Set和Map變量

Java有助於區分

• 一種類型的規範 - 它有什麼做用？ 抽象接口 - 實現
• 代碼是什麼？ 具體類

List，Set和Map都是接口：

• 他們定義了這些相應的類型是如何工做的，但他們不提供實現代碼。
• 優勢：用戶有權在不一樣狀況下選擇不一樣的實施方式。

List，Set和Map的實現：

• 列表：ArrayList和LinkedList
• 集合：HashSet
• 地圖：HashMap

迭代器是一個可變類型的迭代器

迭代器是一個對象，它遍歷一組元素並逐個返回元素。
當你使用for（...：...）循環遍歷一個List或數組時，迭代器在Java中被使用。
迭代器有兩種方法：

• next（）返回集合中的下一個元素---這是一個可變的方法！
• hasNext（）測試迭代器是否已到達集合的末尾。

7有用的不可變類型

原始類型和原始包裝都是不可變的。

• 若是你須要用大數來計算，BigInteger和BigDecimal是不可變的。

不要使用可變日期，根據您須要的計時粒度，使用java.time或java.time.ZonedDateTime中適當的不可變類型。
Java的集合類型（List，Set，Map）的一般實現都是可變的：ArrayList，HashMap等
Collections實用程序類具備獲取這些可變集合的不可修改視圖的方法：

• Collections.unmodifiableList
• Collections.unmodifiableSet
• Collections.unmodifiableMap

可變數據類型的不可變包裝
Java集合類提供了一個有趣的折衷：不可變的包裝器。

• Collections.unmodifiableList（）須要一個（可變的）List，而且用一個看起來像List的對象封裝它，可是其禁用的mutator - set（），add（），remove（）等會拋出異常。 因此你能夠構造一個使用mutator的列表，而後用一個不可修改的包裝器來封裝它（而且拋棄你對原始可變列表的引用，而且獲得一個不變的列表。

缺點是你在運行時得到了不變性，但不是在編譯時。

• 若是你嘗試排序（）這個不可修改的列表，Java在編譯時不會發出警告。
• 你會在運行時獲得一個異常。
• 但這仍是比沒有好，因此使用不可修改的列表，地圖和集合能夠是下降錯誤風險的一種很是好的方法。

不可修改的包裝

不可修改的包裝器經過攔截全部修改集合並拋出UnsupportedOperationException的操做來取消修改集合的能力。
不可修改的包裝有兩個主要用途，以下所示：

• 一旦創建一個集合就不可變。 在這種狀況下，最好不要保留對後備集合的引用。 這絕對保證了不變性。
• 容許某些客戶端只讀訪問您的數據結構。 您保留對後備集合的引用，但請分發引用。 這樣，客戶能夠看，但不能修改，而你保持徹底訪問。

8空引用

空引用
在Java中，對對象和數組的引用也能夠採用特殊值Null，這意味着引用不指向對象。 空值是Java類型系統中的一個不幸的漏洞。
基元不能爲null，編譯器會拒絕這種帶有靜態錯誤的嘗試：
int size = null; //非法
能夠將null分配給任何非原始變量，而且編譯器在編譯時高興地接受這些代碼。 可是你會在運行時遇到錯誤，由於你不能調用任何方法或者使用帶有這些引用之一的任何字段（拋出NullPointerExceptions）：
String name = null;
name.length（）;
int [] points = null;
points.length;
null與空字符串「」或空數組不一樣。

空引用

非基元和像List這樣的集合的數組多是非空的，但包含null做爲值
只要有人試圖使用集合的內容，這些空值就可能致使錯誤。
空值是麻煩和不安全的，因此你最好建議將它們從你的設計詞彙表中刪除。
空值在參數和返回值中被隱式禁止。

來自Guava（Google）

不當心使用null會致使各類各樣的錯誤。
研究谷歌代碼庫，咱們發現像95％的集合不該該有任何空值，而且讓這些快速失敗而不是默默接受空值會對開發人員有所幫助。
另外，null很不明確。
不多有人明白空返回值應該是什麼意思 - 例如，Map.get（key）能夠返回null，由於map中的值爲null，或者該值不在map中。 空可能意味着失敗，可能意味着成功，幾乎意味着任何事情。
使用除null以外的其餘內容能夠明確您的意思。

總結

靜態類型檢查：

• 減小錯誤保證安全。 靜態檢查經過在運行時捕獲類型錯誤和其餘錯誤來幫助安全。
• 容易明白。 它有助於理解，由於類型在代碼中已明確說明。
• 準備改變。 靜態檢查經過識別須要一塊兒更改的其餘位置來更容易地更改代碼。 例如，當您更改變量的名稱或類型時，編譯器會當即在使用該變量的全部位置顯示錯誤，並提醒您更新它們。

可變性對於性能和便利性頗有用，但它也會經過要求使用對象的代碼在全範圍內表現良好而形成bug的風險，這極大地增長了咱們必須作的推理和測試，以確保其正確性。
確保你瞭解不可變對象（如String）和不可變引用（如final變量）之間的區別。
快照圖能夠幫助理解。

• 對象是由快照圖中的圓圈表示的值，而不可變的對象是具備雙邊框的值，表示它永遠不會更改其值。
• 引用是一個指向對象的指針，用快照圖中的箭頭表示，不可變引用是帶有雙線的箭頭，表示不能將箭頭移動到指向不一樣的對象。

關鍵的設計原則是不變性：儘量使用不可變對象和不可變引用。

• 減小錯誤保證安全。 不可變對象不容易出現鋸齒引發的錯誤。 不可變引用老是指向同一個對象。
• 容易明白。 由於不可變的對象或引用老是意味着相同的事物，因此代碼讀者推理起來更簡單 - 他們沒必要追蹤全部代碼以找到可能更改對象或引用的全部位置，由於 它不能改變。
• 準備好改變。 若是在運行時不能更改對象或引用，那麼當程序更改時，不須要修改依賴於該對象或引用的代碼。