Java基礎(chǔ)系列之?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運算

導(dǎo)語

初遇Java之后单雾，我們對Java的歷史行剂、特征以及垃圾回收機制有了初步認識骄恶，接下來我們需要了解下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運算锨用。程序是什么？就是幫人類干事情的工具（程序員就是開發(fā)這個工具的人！）。程序的組成是什么呢剩岳？我的理解是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法喘帚，這里我們不談算法那么高大上的東西只談基本運算畅姊，畢竟單講算法就能出一本很厚很厚的書了。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

前面我們說到吹由，Java是一門面向?qū)ο蟮恼Z言若未。有人說過這么一句話，“萬物皆對象”倾鲫，其實這也不絕對粗合。Java有8種基本數(shù)據(jù)類型便不算對象，我們先說說這八種基本數(shù)據(jù)類型吧乌昔。

整型
- byte 在內(nèi)存中占8位隙疚，取值-128 ~127 即 ( $-2^7$ ) ~ ( $2^7-1$ )
- short 在內(nèi)存中占16位，取值 -32768~32767 即（ $-2^{15}$ ）~ ( $2^{15}-1$ )
- int 在內(nèi)存中占32位磕道，取值（ $-2^{31}$ ）~ ( $2^{31}-1$ )
- long 在內(nèi)存中占64位供屉，取值（ $-2^{63}$ ）~ ( $2^{63}-1$ )
浮點型
- float 32位單精度浮點數(shù)，最多存儲4個字節(jié)
- double 64位雙精度浮點數(shù)溺蕉，最多存儲8個字節(jié)
字符型 char
布爾型 boolean 取值true,false
說完基本數(shù)據(jù)類型伶丐，我們再談?wù)勔粋€新概念，直接量疯特。直接量通常有三種類型：基本類型哗魂、字符串類型、null漓雅÷急穑基本類型我們剛才已經(jīng)說過了就是上面的八位，那么字符串類型呢邻吞？就是java.lang.String這個類的類型组题，這是個特殊的類，用來存儲字符串抱冷。
String類型的特點：字符串直接量不能賦值給其他類型如int,long崔列。這和null類型恰恰相反，null類型可以直接復(fù)制任何引用類型和其他基本類型（除了boolean類型）徘层。關(guān)于String字符串還有一點需要指出峻呕，當(dāng)程序第一次使用時利职，JVM會使用常量池來維護這個直接量趣效。當(dāng)再次使用的時候，Java會直接取常量池中的字符串猪贪。
引用數(shù)據(jù)類型 Date date = new Date(),其中date就是個引用數(shù)據(jù)類型跷敬，這個會在后續(xù)的面向?qū)ο笳鹿?jié)進行詳細介紹。

運算

什么是運算热押？小學(xué)生都知道的加西傀、減斤寇、乘、除拥褂？沒錯娘锁！就是這些，然而饺鹃，程序執(zhí)行加莫秆、減、乘悔详、除卻是一件很費勁的事情镊屎，這就引出了我們的位運算。
我們知道茄螃，計算機數(shù)字系統(tǒng)是由0和1組成的缝驳，即二進制。非0即1归苍，逢2進1用狱，因此處理位運算效率會更高。
目前Java支持的位運算有7個霜医，它們分別是：與齿拂、或、非肴敛、異或署海、左移、右移医男、無符號右移砸狞。

按位與（&）
System.out.print(5 & 9),我的得到的結(jié)果是1.具體運算如下
$\frac{0101}{1001}=0001$
運算規(guī)則是同1為1，非1為0
這里有一個經(jīng)典算法~求一個整數(shù)的奇偶：

//我們知道镀梭，偶數(shù)是能被2整除刀森，那么它的二進制表示最后一位一定是0
//根據(jù)與運算，同1為1报账，非1為0研底，那么一個一個二進制數(shù)和1進行與運算就能獲得最后一位值了
int i;
return (i & 1)==0；//偶數(shù)

按位或（|）
System.out.print(5 | 9) 運算結(jié)果是13透罢，具體運算如下
$\frac{0101}{1001}=1101$
運算規(guī)則：有1為1榜晦，無1為0
非（~）
System.out.print(~5) 運算結(jié)果是：-6

5的原碼：0000 0101
~5 就是：1111 1010
由于這是一個負數(shù)，這顯示的是它的補碼羽圃，我們先求得它的反碼乾胶，即補碼-1那就是：
1111 1001
然后翻轉(zhuǎn)過來，高位取1即：
1000 0110
得到結(jié)果是-6

這里有幾個概念：原碼、反碼识窿、補碼斩郎。
正數(shù)的原碼、補碼喻频、反碼相同
負數(shù)的反碼是其的絕對值按位求反
負數(shù)的補碼等于其反碼的尾數(shù)加1

按位異或（^）
System.out.print(5 ^ 9) 運算結(jié)果是12缩宜，具體運算如下
$\frac{0101}{1001}=1100$
運算規(guī)則：同假異真，就是說相同為0甥温，不同為1
左移（<<）
System.out.print(4<<1) 運算結(jié)果是8脓恕，運算如下

4: 0100
8: 1000 (0100左移一位后得到01000，舍棄高位的0即1000)

右移（>>）
System.out.print(4>>1)運算結(jié)果是2

4: 0100
2: 0010 (0100右移一位后得到0010窿侈，舍棄高位的0即10)

無符號右移（>>>）
System.out.print(-5>>>2)結(jié)果是1073741822

-5的原碼： 1000 0101
-5的補碼： 1111 1011 
無符號右移后：0011...1111 1110(中間省略掉20個1)
這個應(yīng)該是2的30次方減去2就是我們的運算結(jié)果

這個計算的原因是-5默認為int類型32位炼幔，有興趣可以試試-5L（long類型）無符號右移2，會得到一個更大的值史简。

這些運算是計算機底層的運算乃秀，比如說程序5*2，我們寫成5<<1效率會更高些圆兵。
除了位運算跺讯，我們比較常用的還有如=(賦值)運算，比較運算（>,<,==,!=）,邏輯運算（&&殉农，|刀脏，！超凳，^）,三目運算（? :）等愈污。

Java也提供了加減乘除的算術(shù)運算，但是需要注意的是對于double和float浮點型運算時可能會失去精度轮傍，如1.2+1.9,得到的結(jié)果是3.0999999999999996,不必驚訝暂雹，不止Java，我們在谷歌的console中執(zhí)行（JavaScript）,也是得到了這個結(jié)果创夜。很多中語言都存在這個問題杭跪。為了更為精確的計算，Java提供了一個java.math包驰吓，專門作為算術(shù)計算的涧尿。上面這個我們換成BigDecimal.valueOf(1.2).add(BigDecimal.valueOf(1.9))就沒有這個問題了。需要注意的是檬贰，這里不要使用BigDecimal的double類型構(gòu)造器創(chuàng)建對象姑廉，否則還是會出現(xiàn)精度問題

再談String

String對象可謂是面試官的寵兒，各種題目層出不窮偎蘸，我們這里談?wù)凷tring對象庄蹋。首先我們看下String對象在jdk源碼的樣子

image.png

由于篇幅有限，我們的圖上只能看到類的修飾信息迷雪，看不到Java開發(fā)人員寫的注釋限书，我這里可以把一些關(guān)鍵信息貼出來下。

The  class represents character strings. 
All string literals in Java programs, such as  "abc", are
 implemented as instances of this class.
Strings are constant; their values cannot be changed after they
are created. String buffers support mutable strings.
Because String objects are immutable they can be shared.

不難看出章咧，String是一個字符串對象倦西，代表所有的字符串實例，創(chuàng)建后不能修改赁严，所以可以共享扰柠。上面我們也說過，String對象賦值后疼约，JVM會將該字符串緩存到常量池中卤档，當(dāng)下次使用的時候，直接從常量池獲取程剥。

String a = "helloworld";
String b = "hello"+"world";
String c = new String("helloworld");

這里面a==b劝枣，但是a！=c（這個比較容易理解织鲸，a為字符串直接量舔腾，c為字符串對象的地址）。我們將以上代碼編譯搂擦，打開class文件稳诚，發(fā)現(xiàn)結(jié)果是

image.png

我們可以這樣理解，當(dāng)編譯器能確定字符串的時候瀑踢，系統(tǒng)不會產(chǎn)生hello和 world的備份扳还，直接產(chǎn)生helloworld，如果我們把hello放在一個變量e里面橱夭，然后將b改成String b = e+"world"; 這個時候編譯結(jié)果就不一樣了普办，a==b返回的就是false了。

問題升級

        String str2 = new String("str")+new String("01");
        str2.intern();
        String str1 = "str01";
        System.out.println(str2==str1);

首先我們了解下intern()方法徘钥，看源碼解釋：

Returns a canonical representation for the string object.
A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the class
When the intern method is invoked,
 if the pool already contains a string equal to this {@code String} object as determined by the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the pool and a reference to this {@code String} object is returned.

這個方法返回的是字符串的規(guī)范化形式（其實就是直接量）衔蹲，根據(jù)equals方法判斷常量池中是否存在這個字符串，如果存在則呈础，返回對象的引用舆驶，不存在，先將字符串緩存到常量池中然后返回該對象的引用而钞。
jdk1.6中常量池在永久代沙廉，如果字符串在常量池中找不到會將字符串拷貝到常量池中。所以str2指向的應(yīng)該還是原字符串臼节，常量池中的是拷貝撬陵。str1指向的是常量池中的拷貝珊皿，所以返回false。
jdk1.7以上版本巨税，（jdk1.8干脆常量池移到了堆中）蟋定，如果字符串在常量池中找不到不再拷貝到常量池中，而會重新生成一個對原字符串的引用草添，因此驶兜，str2指向的就是原字符串，而str1指向的也是原字符串远寸，因此抄淑，返回true。

尾聲

本章節(jié)驰后，我們了解了Java的基本數(shù)據(jù)類型和引用類型（一筆帶過肆资，面向?qū)ο蟮臅r候著重提及）和一些常用的運算。要知道灶芝，早期的計算機功能單一迅耘，只有計算功能，因此運算是最為核心的一塊功能（雖然國內(nèi)Java開發(fā)人員對于位運算并不是很熟練）监署。后面我們又提及了String類颤专，分析了String類的特殊性，和常見的一些面試題钠乏，這些面試題其實都是基于Java內(nèi)存模型的栖秕，需要多JVM較為深入才能理解，而不是記下答案就能應(yīng)付過去的晓避。下一個章節(jié)是面向?qū)ο蟠睾矗莻€時候我們根據(jù)面向?qū)ο蟮乃枷朐僬剶?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再見俏拱。