【软件构造】第三章第一节 数据类型与类型检查

第三章第一节 数据类型与类型检查

　　本章将介绍软件构造的理论基础——ADT，软件构造的技术基础——OOP

Outline

• 数据类型
  • 基本数据类型
  • 对象数据类型
• 类型检查
  • 静态类型检查
  • 动态类型检查
• 可变性与不可变性
• 不可变性
• 可变性
• 防御性拷贝
• 快照图（Snapshot diagram）

Notes

##数据类型及其表达

 【基本数据类型】（引自 菜鸟教程）

　　Java语言提供了八种基本类型。六种数字类型（四个整数型，两个浮点型），一种字符类型，还有一种布尔型。

• byte：数据类型是8位、有符号的，以二进制补码表示的整数；
• 最小值是 -128（-2^7）；最大值是 127（2^7-1）；默认值是 0；
• byte 类型用在大型数组中节约空间，主要代替整数，因为 byte 变量占用的空间只有 int 类型的四分之一；
• short：数据类型是 16 位、有符号的以二进制补码表示的整数
• 最小值是 -32768（-2^15）；最大值是 32767（2^15 - 1）；默认值是 0；
• Short 数据类型也可以像 byte 那样节省空间。一个short变量是int型变量所占空间的二分之一；
• int：数据类型是32位、有符号的以二进制补码表示的整数；
• 最小值是（-2^31）；最大值是 （2^31 - 1）；默认值是0；
• 一般地整型变量默认为 int 类型；
• long：数据类型是 64 位、有符号的以二进制补码表示的整数；
• 最小值是 （-2^63）；最大值是 （2^63 -1）；默认值是 0L；
• 这种类型主要使用在需要比较大整数的系统上；
• float：数据类型是单精度、32位、符合IEEE 754标准的浮点数；
• float 在储存大型浮点数组的时候可节省内存空间；
• 默认值是 0.0f；
• double：数据类型是双精度、64 位、符合IEEE 754标准的浮点数；
• 浮点数的默认类型为double类型；
• double类型同样不能表示精确的值，如货币；
• 默认值是 0.0d；
• boolean：数据类型表示一位的信息；
• 只有两个取值：true 和 false；
• 默认值是 false；
• char：是一个单一的 16 位 Unicode 字符
• 最小值是 \u0000（即为0）；最大值是 \uffff（即为65,535）；
• char 数据类型可以储存任何字符；例子：char letter = 'A';

 【对象数据结构】

• 对象：对象是类的一个实例，有状态和行为。
• 类：类是一个模板，它描述一类对象的行为和状态。
• Java作为一种面向对象语言，支持多态、继承、封装、抽象、重载等概念（Java教程）

【包装类】

• 对于包装类说，这些类的用途主要包含两种：
  • 作为和基本数据类型对应的类类型存在，方便涉及到对象的操作。
  • 包含每种基本数据类型的相关属性如最大值、最小值等，以及相关的操作方法。
• java中有八种基本数据类型对应的封装类型是：Integer(BigInteger表示一个任意大小的整数),Double ,Long ,Float, Short,Byte,Character,Boolean;
• 包装类的效率更低，编译器会自动进行转换；
• 参考 Java API java.lang

## 类型检查

　　Java是一种静态类型的语言；所有变量的类型在编译的时候就已经知道了（程序还没有运行），所以编译器也可以测出每一个表达式的类型。在动态类型语言中（例如Python），这种类型检查是发生在程序运行的时候。

【动态检查】关于“值”的检查

• bug在运行中被发现
• 倾向于检查特定值才出发的错误
• 动态分析检查的类型：
  • 非法的变量值。例如整型变量x、y，表达式x/y 只有在运行后y为0才会报错，否则就是正确的。
  • 非法的返回值。例如最后得到的返回值无法用声明的类型来表明。
  • 越界访问。例如在一个字符串中使用一个负数索引。
  • 空指针，使用一个null 对象解引用。

【静态检查】：关于“类型”的检查

• 静态检查>>动态检查>>无检查
• 在编译阶段发现错误，避免将错误带入到运行阶段，提高程序的正确性\健壮性
• 静态分析检查的类型
  • 语法错误，例如多余的标点符号或者错误的关键词。即使在动态类型的语言例如Python中也会做这种检查：如果你有一个多余的缩进，在运行之前就能发现它。
  • 类名\函数名错误，例如Math.sine(2) . (应该是 sin )
  • 参数数目错误，例如 Math.sin(30, 20) 
  • 参数的型错误 Math.sin("30") 
  • 返回值类型错误 ，例如⼀个声明返回 int 类型函数 return "30”

• 更多 关于静态\动态检查 请查看 MIT Software Construction Reading 1

## 可变性和不可变性

• 改变一个变量：是将该变量指向另一个值得存储空间
• 改变一个变量的值：是将该变量当前指向的值的存储空间中写入一个新的值

【不变性】（immutability）

• final 变量能被显式地初始化并且只能初始化一次。不变数据类型，一旦被创建，值不可修改；
• 基本类型及其封装对象类型都是不可变的
• 不可变的引用是指一旦指定引用位置后，不可再次指定。
• 如果编译器不能确定final变量不会改变，就提示错误，这也是静态类型检查的一部分
• 注意：
  • final类无法派生子类
  • final变量无法改变值/引用
  • final方法无法被子类重写

【可变性】（mutability）

• 不变对象：一旦被创建，始终指向同个值/引用 
• 可变对象：拥有方法以修改自己的值/引用
• Sting与StingBuilder
  • String：不可变数据类型，在修改时必须创建一个新的String对象

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

  • StringBuilder:可改变的数据类型，可以直接修改对象的值

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

    

 【可变性与不可变性的优缺点】

• 可变数据类型最小化的拷贝以提高效率；使用 不可变类型，对其频繁修改会产生大量的临时拷贝 (需要垃圾回收 )
• 可变数据类型，可获得更好的效能；
• 可变数据类型也适合在多个模块之间共享数据；
• 不可变数据类型更安全，更易于理解，也更方便改变；

 【防御性拷贝】

• 如果一个方法或构造函数允许可变对象进/出，那么就要考虑一下使用者是否有可能改变它。如果是的话，那你必须对该对象进行保护性拷贝，使进入方法内部的对象是外部时的拷贝而不它本身（因为外部的对象有可能还会被改变）。

• public Date getEnd() {  
       return new Date(end.getTime());  
  }  //示例请参考 TKD03072010的专栏

## 快照图(Snapshot diagram)

• 基本类型的值：原始值由裸露的常量表示。传入箭头引用变量或对象字段的值。

• 对象类型的值：一个对象值是一个由它的类型标记的圆。当我们想要显示更多的细节时，我们在它里面写字段名称，箭头指向他们的值。 

• 不可变对象：用双线椭圆。

• 不可变的引用：用双线箭头

  • 引用时不可变的，但指向的值可以是可变的
  • 可变的引用，也可指向不可变的值