Data Type And Type Checking

1.编程语言中的数据类型

类型和变量

• 一个类型是一系列值的集合，这些集合可以抽象出一个相同的特点，并且可以相互实现计算

  • 例如：
    • 布尔类型：true or false
    • 整形：1,2,3…
    • 浮点数类型：1.2,2.4,5.55…
    • 字符串类型：“hello”,“world”

• 变量：一个被命名的地址，存储了某种类型的值

JAVA中变量指向的地址不一定存储的就是我们想要的值，也有可能是值的“遥控器”

Java中的数据类型

Java是一个纯粹的面向对象的编程语言，因此在Java中几乎所有变量都是一个对象，但是为了高效性，可移植性和轻便性，Java也有一些基本数据类型

• 基本数据类型：int,double,boolean,char…
  • 基本数据类型存储在栈上
  • 每个基本数据类型都有对应的包装类
  • 包装类和基本数据类型直接可以自动装包和拆包
• 对象数据类型：String,BigInteger,BigDecimal…
  • 对象数据类型存储在堆上
  • 定义的对象变量应该是一个引用，也就是上文说到的"遥控板"
  • 引用是存储在栈上的
  • 对象数据类型在Java中是单继承的，并且有一个最终父类：Object
  • 继承关系的层次结构如图1
    

虽然在栈上开辟空间存储数据以及销毁数据要快于在堆上，不过在现代结构的优化下，在堆上和栈上存储的代价几乎相同

2.动态 Vs. 静态数据类型检测

类型转换

int a = 2;
double a = 2;
int a = (int)18.7
double a = (double)2/3;int a = 18.7;
String a = 1;

结果：以上代码中1-4显示编译通过，6-7编译错误

向大的类型中存储小的值，会发生自动类型转换，不会发生问题；但是向小的类型中存储大的值，就会发生精度丢失，因此会报错，需要显示的指定，是否要丢失这部分精度

静态检测和动态检测

• 静态检测：在代码运行之前发现bug
• 动态检测：在代码运行时发现bug
• 无检测：语言不帮助你检测，自己找bug

三种检测方式的效率：静态>>动态>>无检查

静态检测

在编译阶段发现错误，避免将错误带入到运行阶段，可提高程序正确性与健壮性

运行阶段发现bug会带来更多的时间代价

检测内容：

• 语法错误，例如：多了一个逗号或奇怪的单词
• 类名/方法名错误，例如：Math.abd(-1)
• 参数数目错误，例如：Math.abs(20, -10)
• 参数类型错误，例如：Math.abs("hello")
• 返回类型错误，实际的返回类型和方法要求的不能隐式转换

动态检测

在运行阶段发现错误

检测内容：

• 非法的参数值，实参类型不能隐式转换为形参类型
• 非法的返回值，返回类型和变量类型不能隐式转换
• 越界：遍历数组、集合的时候索引超出了它们的容量
• 空指针：对象的引用指向null

动态与静态的区别：静态检查只考虑编译阶段能确定的“值”；动态检查关心运行阶段能确定的“值”

3.可变性与不可变性

什么是赋值？

赋值是指，在内存空间中开辟一个空间，写入特定值，并且把变量和这块空间相关联

基本数据类型 Vs. 对象数据类型

• 基本数据类型：在栈上开辟空间，只与栈相关联
• 对象数据类型：在栈上开辟空间存储引用，在堆上开辟空间存储对象

引用就像一个遥控板，而对象则是电视机，可以在任何地方使用遥控板控制电视机，而不需要背着电视到处移动

变与不变

int a = 10;
a = 20;String s = "hello";
s = "world";

改变的方式有两种：改变变量和改变值

• 改变变量：改变变量的指向，让它指向另一块空间
• 改变值：改变变量指向的内存空间中的值，而不改变其指向

在编程中应该更多的使用immutable的数据，这样能大大提高程序的安全性

什么时候是哪种改变？

• 改变值：基本数据类型都是改变值，可变对象数据类型访问其堆上的空间改变其中的值
• 改变变量：对象数据类型改变其引用的值

还可以使用final关键字修饰变量，被修饰的变量其本身不可变。

对于基本数据类型，其本身就是值，因此值不可变

对于对象数据类型，其本身实际上是"遥控板"即引用，因此引用本身不可变

不变对象 Vs. 可变对象

• 不变对象：引用指向的值不可变
• 可变对象：拥有方法可以修改堆上数据

String类型就是一个不可变类型，不能对字符串本身进行增删的操作

StringBuilder则是一个可变类型，可以对其指向的数据进行增加删除的操作

可变类型的优势

1. 可变类型可以最少化拷贝以提高效率
2. 可以获得更好的性能
3. 适用于多个模块之间共享数据

不可变类型的优势

• 不可变类型更"安全"

4. 防御式拷贝

• 试想以下场景：向一个方法中传入一个可变对象，这是一件相当危险的事。不同于基本数据类型和不可变数据类型，传入一个可变对象，相当于把堆上数据的权柄全部交给了这个方法，客户端的数据可以随意被远端程序员更改，虽然社会是充满真善美的，但是我们还是喜欢由自己掌握自己的命运。

• 再试想以下场景：我重生成为了一个后端程序员，每天勤勤恳恳写代码，有一天我一如既往的打开电脑准备开启码代码的一天，发现我的数据被改了，在小小的电脑里挖呀挖呀挖，焦头烂额找不出错误，最后把代码发给了gpt，少不了一番自嘲。原来是你的一个方法里，向客户端返回了一个可变对象，客户端拿着这个对象到处霍霍，把值给霍霍乱了。

以上两个场景都是可变对象可能带来的安全隐患，贸然将数据权柄交给它人是一件相当莽撞的事情。为了解决这个问题，最好的方式就是使用不可变对象。还有一种方式就是采用所谓的防御式拷贝，简单来说就是创建一个新的可变类型对象，并且把原始对象的数据拷贝到新的堆内存上，然后将新的对象返回或传入。

• 大部分时候这个拷贝不会被客户端修改，可能造成大量的内存浪费
• 直接使用不可变对象，节省了频繁拷贝的代价
• 使用可变类型最好的方法：一个堆内存只有与一个引用相关联。

5.复杂数据类型：数组和集合

数组

• 数组是一个连续的组，其中存储相同数据类型的变量

• Java中数组和c++中的不一样，Java中数组的数据也存储在堆上

• 数组名也是一个引用

• 数组中的元素通过索引访问

集合

List

List和数组很像，不同的是List的容量可以变化

List还可以对对其中的数据进行增删查改

Set

无索引，无法通过索引访问元素

Set集合中不存在相同值的元素

Map

Map中存放的是一对又一对的键值对，通过key寻找value

Map中的元素也不能通过索引访问

Map中只能每个键值只能存在一个

迭代器

迭代器是一个可以逐步遍历结合的对象

通过迭代器不能改变集合中对象的值

如果集合发生了增加或删除元素，那么之前的迭代器会失效

6.总结

• 类型检查
  • 类型检查可以帮助提升程序的健壮性，可以帮助找出程序的错误
  • 类型检查是简单易懂的
  • 类型检查帮助你更好的维护代码
• 可变性与不可变性
  • 可变数据具有高效性
  • 不可变数据具有安全性
  • 如何在效率和安全中选择一个合适的尺度，需要通过具体的要求进行分析
  • 关键的设计准则在于，使用尽量多的不可变对象和不可变引用