基本數(shù)據(jù)類型與引用類型
????????Java是面向對象的語言炕婶，在java中一切都可以視為對象裸影。然而注整，為什么卻會引入基本數(shù)據(jù)類型這樣一個明顯不是對象的元素呢？個人覺得有兩個方面的原因：一是邏輯上的必然結果宵溅；二是對計算機本身結構的妥協(xié)凌简。
????????面向對象編程的基本原則：一切都是對象；對象可以分解為對象（我胡說的层玲，沒有驗證過）号醉。這意味著反症，對象的組成成分也是對象辛块，每個對象都是由其他對象構成的。然而在實際編程時铅碍，卻是自底向上的構建更復雜的對象润绵，而不是自頂向下的逐步分解對象。但是在這個規(guī)則下胞谈，卻沒辦法找到這樣底層對象尘盼，因為它還可以分解為更底層的。這樣烦绳，在邏輯上就陷入了尋找最細粒度對象的死循環(huán)中卿捎。
????????解決辦法就是破壞規(guī)則：
- 引入一種不可分割的元素，它不是對象径密，并且最“底層”的對象完全由這種元素構成午阵，這樣就破壞了規(guī)則一；
- 或者使一些對象不可以繼續(xù)分割享扔，其他對象都有這種對象構建而成底桂，這就破壞了規(guī)則二。兩種方案的共同點是終止“對象可以無限分割”這個死循環(huán)惧眠。
????????顯然Java采用了第一種方案籽懦，在語法中加入了基本數(shù)據(jù)類型這種非對象元素。Java的前輩氛魁，SmallTalk語言采用了方案二暮顺。表面上看厅篓，SmallTalk中似乎一切都是對象了，被稱為“純面向對象”語言拖云。然而贷笛，這是構建在一種特殊對象基礎之上的，這些基礎對象是否真的符合對象的定義值得懷疑宙项。其他所謂“純面向對象”的語言同理乏苦。
????????Java采用方案一的另一個原因是受制于計算機的結構。長期實踐中尤筐，編程領域基本上形成了一些基本的數(shù)據(jù)類型汇荐，如int，float盆繁，char等掀淘，這些基本數(shù)據(jù)類型可以被計算機很好的支持，甚至計算機中的很多指令都是和這些數(shù)據(jù)類型耦合的油昂。所以任何一門編程語言革娄，都逃脫不了基本數(shù)據(jù)類型的限制。Java在此基礎上冕碟，規(guī)定了8種基本數(shù)據(jù)類型拦惋，作為所有對象的基礎；當然java的基本數(shù)據(jù)類型是與平臺無關的安寺，屏蔽了底層細節(jié)厕妖，比如int類型無論在哪種機器上對外表現(xiàn)都是四個字節(jié)。其他“純面向對象”的語言挑庶，最底層對象本質上就是這些基本數(shù)據(jù)類型言秸，只不過稍微加了一層包裝，讓其看起來像個對象而已迎捺。
????????Java為什么沒采用方案二呢举畸？這是考慮到了執(zhí)行效率，直接使用計算機原生的數(shù)據(jù)類型凳枝，比將其包裝成對象運算要快得多——因為原生數(shù)據(jù)類型可以直接保存到棧上抄沮，而對象則保存在堆上，通過保存到棧上的指針或引用去獲取——顯然獲取對象數(shù)據(jù)因為繞了一個彎范舀，而損失了一部分效率合是。
基本數(shù)據(jù)類型
在java中一共有8種基本數(shù)據(jù)類型，其中整數(shù)類型有四種：byte锭环，short聪全，int，long辅辩；浮點數(shù)類型：float难礼，double娃圆；布爾類型：boolean；字符類型：char蛾茉。
byte
byte類型表示一個整數(shù)讼呢， 一個byte類型的變量可以存放一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，一個字節(jié)等于8個比特谦炬，即1 Byte = 8 bit悦屏，所以可以表示的數(shù)的范圍就是0000 0000 ～ 1111 1111。而java中所有的數(shù)字類型都是有符號數(shù)键思，于是開頭的比特位用來表示正負础爬，0代表正數(shù)，1代表負數(shù)吼鳞。所以實際能表示的數(shù)的范圍是：1111 1111 ～ 0111 1111看蚜，用十進制表示就是 -127 ～ 127。這好像跟教材說的不一樣：難道不應該是 -128 ～ 127 赔桌？這是因為剛才所述使用的是二進制的原碼表示法供炎，簡單直接，容易理解疾党。然而Java使用的是補碼表示法音诫，在形式上，負數(shù)需要在原碼的基礎上將各個數(shù)據(jù)bit位取反（不包括符號bit位）仿贬，然后加1纽竣；而正數(shù)繼續(xù)使用原碼墓贿。于是 -127應該用二進制表示應該是1000 0001茧泪，127則是0111 1111。1000 0001可以繼續(xù)減1得到1000 0000, 所以下限應該是 -128（即-127 - 1）聋袋；但0111 1111卻不能再加1了队伟，因為
0111 1111 + 1 = 1000 0000 = -127
這意味著，一旦采用了補碼表示法（限定二進制長度為8位）幽勒，從邏輯上嗜侮，1000 0000只能表示-127, 而不是128。
0 = -127 + 127 = 1000 0001 + 0111 1111 = 1 0000 0000 = 0000 0000 （溢出啥容，舍去最高位）
-1 = -128 + 127 = 1000 0000 + 0111 1111 = 1111 1111
注意锈颗，這里說的僅僅是補碼表示法的表面運算規(guī)則，而底層原理請參考這篇文章咪惠。
byte類型是最小的數(shù)據(jù)類型击吱，只有一個字節(jié)，即8個比特遥昧。雖然表示信息的最小單位是比特覆醇，但是計算機操作信息的最小單位卻是字節(jié)朵纷，即每次運算時，都是一次性操作至少一個字節(jié)永脓，因為以比特為操作單位的話袍辞，太浪費效率了。所以常摧，無論是內存還是硬盤搅吁，或者CPU，傳輸信息時落午，都是以字節(jié)為單位似芝，即使存在一定的浪費（有些信息用不了一個字節(jié)的容量）。
在實際編程中板甘，很少有直接操作byte變量的場景党瓮；使用byte一般都是直接定義一個byte數(shù)組，用來存放二進制數(shù)據(jù)盐类，比如典型的IO操作寞奸。直接操作byte的畫風可能是這樣的：
public class Byte {
public static void main(String[] args) {
byte b = 128;
}
}
編譯結果如下：
Byte.java:5: 錯誤: 不兼容的類型: 從int轉換到byte可能會有損失
byte b = 128;
^
1 個錯誤
這是因為整型數(shù)字的字面量默認都是int類型（4個字節(jié)）的，如果賦值給比int類型短的的類型（byte和short等）在跳，這個字面值的范圍必須要在要求類型的范圍內枪萄，比如byte類型的變量只能賦值-128～127之間的整數(shù)，超出這個范圍就會編譯報錯猫妙。
另外瓷翻，還可以用十六進制數(shù)字直接給整型變量賦值，這是從Java SE7開始有的特性割坠，如：
byte a = 0x1f
語法上齐帚，十六進制數(shù)以“0x”開頭，大小寫隨意彼哼，后面的十六進制數(shù)字同樣如此对妄。這里稍微說一下字節(jié)和十六進制的關系，一個字節(jié)8個位敢朱，而一個十六進制數(shù)字最多要用4個位表示（2的 4次 方剪菱，正好16），故而一個字節(jié)可以容納兩個十六進制數(shù)字拴签。
short
short類型表示一個有符號整數(shù)孝常， 一個short類型的變量可以存放兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以可以表示的數(shù)的范圍就是0000 0000 0000 0000 ～ 1111 1111 1111 1111蚓哩，翻譯成補碼形式的十進制就是-32768~32767构灸。
short類型在平時的編碼中還是很少用到的，沒有必要為了節(jié)省空間而特意使用short類型杖剪。
下面寫個程序驗證一下冻押，short是不是真的只占兩個字節(jié)驰贷。
package com.explore;
public class Size {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Runtime.getRuntime().freeMemory());
short[] tmp = new short[10000];
for (int i = 0; i < tmp.length; i++) {
tmp[i] = 1;
}
System.out.println(Runtime.getRuntime().freeMemory());
}
}
上面的程序中吊圾，Runtime.freeMemory()方法可以獲取到當前jvm進程所擁有的空閑內存稳强。注意官还，這個內存是總內存属愤，包括堆內存和棧內存等翅帜。第一次打印到第二次打印之間颅夺，占用內存的包括一個short類型數(shù)組以及這個數(shù)組的引用拳亿。其中引用享怀，也就是tmp變量分配在棧上漓库，數(shù)組本身分配在堆中恃慧。而for循環(huán)中定義的臨時變量i，在for循環(huán)結束后就釋放了（google一下局部變量的作用域與生存期）渺蒿，相當于沒有占用內存痢士。
執(zhí)行過程如下：
? java javac com/explore/Size.java
? java java -Xms1025k -Xmx1025k -cp . com.explore.Size
1174728
1154712
執(zhí)行的時候，通過-Xms和-Xmx參數(shù)限定了jvm的堆內存就是1025K茂装，這個數(shù)值是能讓jvm啟動的最小值（還沒研究過這個值是怎么來的）怠蹂。打印結果表明數(shù)組以及數(shù)組引用一共占據(jù)了20016個字節(jié)的空間∩偬可以猜到城侧，引用占了16個字節(jié)，數(shù)組占了20000個字節(jié)彼妻；而數(shù)組中存放了10000個short類型的整數(shù)嫌佑，所以每個short類型的變量占用兩個字節(jié)。
為了證明上述猜想侨歉，將程序中的數(shù)組長度改為5000,再次執(zhí)行的結果如下：
? java javac com/explore/Size.java
? java java -Xms1025k -Xmx1025k -cp . com.explore.Size
1174728
1164712
就是一個二元一次方程組屋摇，解出來即可。
注意为肮，上述程序中摊册，數(shù)組的長度不可太小肤京，否則測試將出現(xiàn)偏差颊艳，具體原因尚未明確。同樣的道理也可以測出其他基本類型的實際容量或大小忘分。 另外棋枕，在JDK1.8中，基本類型的包裝類有個BYTES屬性妒峦，直接指明了其對應的基本類型所占據(jù)的字節(jié)數(shù)重斑；JDK1.5添加的SIZE屬性也指明了所占據(jù)的位數(shù)。
int
int屬于最常使用的整數(shù)類型肯骇，而且java中規(guī)定了整數(shù)的字面量默認就是int類型的窥浪。int類型占用四個字節(jié)祖很，其能表示的整數(shù)范圍是：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ～ 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111，翻譯成十進制就是 -2147483648 ～ 2147483647漾脂，大概是-21.47億到21.47億假颇，大部分情況下用到的數(shù)不會超出這個范圍。
上面提到了字面量這個概念骨稿，什么是字面量笨鸡？說白了，字面量就是值坦冠。我們常說給變量賦值形耗，變量的本質是內存的一塊空間，而字面量就是這塊空間存放的具體內容辙浑。字面量表示的是一個固定的值激涤，代表了程序中初始的輸入或狀態(tài)。一個程序中判呕，不可能所有的元素都是變量昔期，它總是需要從外界獲取初始的輸入——網(wǎng)卡，鍵盤佛玄，或者直接在代碼中預先定義硼一。離開計算機領域，字面量就是人類日常書寫用到的全部文字梦抢，包括數(shù)字以及字符串般贼；只是到了計算機領域后，需要嚴格的和變量等其他編程元素區(qū)別開來奥吩。字面量是人類和計算機直接溝通交流的方式哼蛆。
long
long類型也是比較經(jīng)常使用的整數(shù)類型，尤其是數(shù)目比較大以至于int無法容納時霞赫。long類型占用8個字節(jié)腮介，能表示的整數(shù)范圍是：-9223372036854775808~9223372036854775807，大概是922.33億億端衰，真的好大叠洗，我寫代碼遇到過使用long類型的場合一般也就是各種數(shù)據(jù)庫表的id字段了。
從編譯器的角度旅东，源代碼就是一堆字符串灭抑，字面量和變量都是這堆字符串中的符號而已，只是有的符號被編譯成變量有的被編譯成字面量抵代，取決于編譯器的實現(xiàn)腾节。上面提到java中整數(shù)類型的字面量，其默認的類型是int。那么給long類型的變量賦值的時候案腺，字面量的值如果超過了int類型多能表示的范圍時庆冕，需要在數(shù)字后面添加l或L(建議大寫，容易識別)劈榨，以表明這個數(shù)字字面量是long類型的愧杯。如下：
long a = 2147483648L
char
char類型的變量代表一個字符，雖然在底層存儲的時候還是二進制鞋既，然而取出來解讀的時候力九，卻表示成一個字符。比如下面這段代碼：
char a = 't';
System.out.println(a);
最終打印到屏幕上的邑闺，會是字符“t”跌前。這其中用到了兩種技術：字符編碼和字符集，那是另一個話題了陡舅。
在語法上抵乓，字符字面量需要用單引號括起來，這是因為源代碼本身已經(jīng)是字符（串）了靶衍，所以要在源碼中表示另外的‘字符’灾炭，需要加以區(qū)別，告訴編譯器這個字符是字符字面量颅眶，而不是其他語法元素蜈出。字符串用雙引號括起來是一樣的道理。
char類型和byte類型的大小是一樣的涛酗，都是1個字節(jié)铡原。
boolean
boolean類型表示布爾變量，在java中商叹，它的值只能是兩個字面量之一：true或false燕刻，或者這個兩個單詞的全大寫。這種類型表示邏輯判斷中的真假剖笙，在C語言中卵洗，任何非0值都可以表示為true，而0表示false弥咪；或者null表示false过蹂，非null表示true；但是在Java中酪夷，真值被單獨抽象出來榴啸，成為一個類型，不再用其他類型“兼職”晚岭。boolean類型的大小同樣可以通過上面的程序測試出來，結果是1 byte勋功。
float
float類型的變量用來存放浮點數(shù)坦报，大小為4個字節(jié)库说。先說下浮點數(shù)在計算機中的二進制表示法，再確定它所能表示的數(shù)的范圍片择。參考了阮一峰的文章潜的，浮點數(shù)二進制采用科學計數(shù)法，公式如下：
V = (-1) ^ s * M * 2 ^ E
其中：
(-1) ^ s決定正負字管，s為0時是正數(shù)啰挪；s為1時是負數(shù)；
(2) 2 ^ E 代表指數(shù)嘲叔，其中E是無符號整數(shù)亡呵，也就是只包含正數(shù)和0；
(3) M 代表有效數(shù)字硫戈，且 1<= M < 2锰什。
float類型占用4個字節(jié)，也就是32個bit丁逝，它們是這樣分配的：第一個bit代表符號汁胆，就是s的值；接下來的8位代表指數(shù)霜幼，也就是E的值嫩码；剩下的23位代表有效數(shù)字，也就是M的值罪既。
由于M>=1谢谦，而E>=0，所以M * 2 ^ E >= 1萝衩，這樣就沒辦法表示0和1之間的小數(shù)回挽，所以E的取值必須包含負數(shù)，方法就是增加一個偏移量P猩谊，P的大小是2 ^ (t - 1) - 1千劈，t表示E所占用的bit位數(shù)，偏移的方向是負牌捷。也就是墙牌，在計算指數(shù)部分的時候，實際的大小為2 ^ (E - P)暗甥。對于float類型喜滨，P=2^(8-1) -1 = 127，而E的范圍是0～255撤防，所以冪數(shù)e的范圍是-127～128虽风。
1<= M < 2的意思是，通過將原數(shù)左移或右移，使得其總是只保留一位整數(shù)數(shù)字辜膝，例如原數(shù)是11.01011无牵，可以將其右移一位變成1.101011，對應的指數(shù)部分同時擴大2倍厂抖，整體大小保持不變茎毁。由于整數(shù)部分是固定的1,于是可以將其省略，M只保存小數(shù)部分忱辅，取值的時候七蜘，自動加1即可，這樣可以多出來一個bit墙懂，提高精度橡卤。
但是有幾種特殊情況，指數(shù)取偏移的方法就行不通了垒在，需要特殊處理：
（1）E全為1,如果此時M也全為0,則V表示正負無窮大蒜魄；否則，M不全為0,則V不是一個數(shù)场躯，用NaN表示谈为。這意味著，上面的e不可能取到128踢关。
（2）E全為0,則此時e = 1 - P = -126伞鲫，計算M時不再加1,這樣是為了表示0以及非常接近0的數(shù)。
舉個例子：
有個整數(shù)轉換成二進制后是101.11001签舞，那么存儲它的時候秕脓，首先移位：1.0111001 * 2 ^ 2，然后指數(shù)部分的E = 2 + 127 = 129儒搭，尾數(shù)部分的M = 0111001吠架，符號是0，所以V = 01000000 10111001 00000000 00000000
逆運算也是簡單的搂鲫，這里就不舉例了傍药。然后談一談二進制和十進制小數(shù)之間的轉換。比如101.11轉換成十進制應該是：1 * 2 ^ 2 + 0 * 2 ^ 1 + 1 * 2 ^ 0 + 1 * 2 ^ (-1) + 1 * 2 ^ (-2) = 5.75魂仍，顯然小數(shù)部分是一個無窮級數(shù)1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + 1/32 + ……拐辽，用這個級數(shù)去無限逼近想要的小數(shù)，但是除了一些特殊的小數(shù)之外擦酌，絕大部分都只是近似俱诸，而且由于M的長度是有限的，所以也不可能無限逼近赊舶，只能有限逼近睁搭。比如計算機其實無法真正的表達0.1赶诊，只能用0.0625 + 0.03125 + ...去近似，這也算是二進制的弊端吧介袜。
了解了浮點數(shù)在計算機中的存儲機制后甫何，下面將探討一下float類型的范圍出吹，方便起見遇伞，只討論V > 0的情況，負數(shù)只需取反即可捶牢。首先需要確定float可以表示的最小的正數(shù)鸠珠，顯然指數(shù)的下限只能是2 ^ (-126)，尾數(shù)M此時小于1秋麸，所以只保留最后一個bit位是1即可（其他bit都是0）渐排，由上面的例子可知，此時M = 2 ^ (-23)灸蟆，從而得出V的最小值是2 ^ (-149)驯耻。小于這個數(shù)float就無能為力了；當然炒考，即使大于這個數(shù)可缚，float能表示的數(shù)也是不連續(xù)的，絕大部分只能近似斋枢。對于最大值帘靡，指數(shù)部分不可能取到 2 ^ 128，最大只能是2 ^ 127瓤帚，而尾數(shù)M全為1描姚，整體（加1后）也是小于2的（這個無窮級數(shù)收斂到1），于是最大值就是2 ^ 128(小于)戈次。
參考文章
綜上轩勘，float變量V的取值范圍是 -2 ^ 128 < V <= -2 ^ (-149) || V = 0 || 2 ^ (-149) <= V < 2 ^ 128
另外在語法上，浮點數(shù)的字面量怯邪，其默認類型為double绊寻，所以給float類型的變量賦值時，需要在字面量的后面加上大寫或小寫的字母“f”擎颖。
計算機的存儲資源是有限的榛斯，而浮點數(shù)也就是數(shù)學中的實數(shù)是無限的，所以計算機中的浮點數(shù)其實是對實數(shù)的近似搂捧，而非完全相等驮俗，這就產(chǎn)生了精度的問題。比如允跑，兩個浮點數(shù)之間做比較王凑，不能直接使用==運算符搪柑，這將產(chǎn)生誤差。如下：
System.out.println(1f == 0.99f);
System.out.println(1f == 0.99999999f);
將打印如下結果：
false
true
再比如浮點數(shù)的運算結果不能輕易取用：
System.out.println(0.01f + 0.05f);
System.out.println(1.0f - 0.9f);
直接取用可能會造成嚴重后果索烹，尤其是在商業(yè)計算中：
0.060000002
0.100000024
double
double類型同float類型一樣工碾，用來表示浮點數(shù)，但是它有8個字節(jié)百姓，所以能表示的數(shù)的范圍更大一些渊额，精度也更高。double類型的8個字節(jié)是這么使用的： 首bit依舊表示符號垒拢，指數(shù)部分占據(jù)11位旬迹，剩下的52位是尾數(shù)。
計算規(guī)則同float求类，所以可以得出double類型浮點數(shù)的范圍是：
- 2 ^ 1024 < V <= - 2 ^ (- 1074) || V =0 || 2 ^ (- 1074) <= V < 2 ^ 1024
關于上面提到的精度問題奔垦，有以下幾種解決方案：
（1）運算使用BigDecimal類，犧牲一定的運算速度尸疆，但是提升了精度椿猎；
（2）比較大小，可以直接使用“<”和“>”寿弱；
（3）比較相等犯眠，不能直接使用“==”，可以考慮Math.abs()方法脖捻，包裝類的一些api阔逼，如：
Double.compare(d1, d2) == 0)
Double.doubleToLongBits(d1) == Double.doubleToLongBits(d2)
Double.valueOf(d1).equals(d2)
引用類型（對象）
引用類型的變量并不是對象的本身，可以將其視為保存了一個地址地沮，通過這個地址嗜浮，就能找到對象在內存中的起始位置。地址也是數(shù)據(jù)摩疑，所以引用類型的變量也需要占據(jù)一定的內存空間危融，但是這個空間有多大呢？這個問題可以等同于雷袋，內存到底有多大吉殃？
但是內存的大小不是確定的，隨時可以通過添加內存條的方式來擴大內存楷怒，這時內存地址顯然更多了蛋勺，那么原來的引用類型變量是否足夠大以便容納新增的地址范圍呢？
通過上面的測試程序鸠删，可以得出在我的電腦上抱完，引用類型變量的大小是4個字節(jié)。然而刃泡，java是跨平臺的語言巧娱，所以無論在什么樣的機器上碉怔，引用類型的變量的大小是固定的，都將是4個字節(jié)禁添。
然而撮胧，固定的空間大小如何來應對內存的變化呢？我猜一種可能是老翘，引用類型變量所存儲的地址其實是抽象的芹啥，不是真實的物理地址，最后將由操作系統(tǒng)映射到真實物理地址上酪捡，所以不用擔心內存大小的變化叁征。
