变量和数据类型

变量

什么是变量？

变量就是初中数学的代数的概念，例如一个简单的方程，x，y都是变量：

y\=x2+1y=x^2+1y\=x2+1

在Java中，变量分为两种：基本类型的变量和引用类型的变量。

我们先讨论基本类型的变量。

在Java中，变量必须先定义后使用，在定义变量的时候，可以给它一个初始值。例如：

  1. int x = 1;

上述语句定义了一个整型int类型的变量，名称为x，初始值为1。

不写初始值，就相当于给它指定了默认值。默认值总是0。

来看一个完整的定义变量，然后打印变量值的例子：

变量和数据类型 - 图1

变量的一个重要特点是可以重新赋值。例如，对变量x，先赋值100，再赋值200，观察两次打印的结果：

变量和数据类型 - 图2

注意到第一次定义变量x的时候，需要指定变量类型int，因此使用语句int x = 100;。而第二次重新赋值的时候，变量x已经存在了，不能再重复定义，因此不能指定变量类型int，必须使用语句x = 200;。

变量不但可以重新赋值，还可以赋值给其他变量。让我们来看一个例子：

变量和数据类型 - 图3

我们一行一行地分析代码执行流程：

执行int n = 100;，该语句定义了变量n，同时赋值为100，因此，JVM在内存中为变量n分配一个“存储单元”，填入值100：

  1.       n
  2.       │
  3.       ▼
  4. ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
  5. │   │100│   │   │   │   │   │
  6. └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

执行n = 200;时，JVM把200写入变量n的存储单元，因此，原有的值被覆盖，现在n的值为200：

  1.       n
  2.       │
  3.       ▼
  4. ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
  5. │   │200│   │   │   │   │   │
  6. └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

执行int x = n;时，定义了一个新的变量x，同时对x赋值，因此，JVM需要新分配一个存储单元给变量x，并写入和变量n一样的值，结果是变量x的值也变为200：

  1.       n           x
  2.       │           │
  3.       ▼           ▼
  4. ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
  5. │   │200│   │   │200│   │   │
  6. └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

执行x = x + 100;时，JVM首先计算等式右边的值x + 100，结果为300（因为此刻x的值为200），然后，将结果300写入x的存储单元，因此，变量x最终的值变为300：

  2.       n           x
  3.       │           │
  4.       ▼           ▼
  5. ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
  6. │   │200│   │   │300│   │   │
  7. └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

可见，变量可以反复赋值。注意，等号=是赋值语句，不是数学意义上的相等，否则无法解释x = x + 100。

基本数据类型

基本数据类型是CPU可以直接进行运算的类型。Java定义了以下几种基本数据类型：

  • 整数类型：byte，short，int，long

  • 浮点数类型：float，double

  • 字符类型：char

  • 布尔类型：boolean

Java定义的这些基本数据类型有什么区别呢？要了解这些区别，我们就必须简单了解一下计算机内存的基本结构。

计算机内存的最小存储单元是字节（byte），一个字节就是一个8位二进制数，即8个bit。它的二进制表示范围从00000000~11111111，换算成十进制是0~255，换算成十六进制是00~ff。

内存单元从0开始编号，称为内存地址。每个内存单元可以看作一间房间，内存地址就是门牌号。

  1.   0   1   2   3   4   5   6  ...
  2. ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
  3. │   │   │   │   │   │   │   │...
  4. └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

一个字节是1byte，1024字节是1K，1024K是1M，1024M是1G，1024G是1T。一个拥有4T内存的计算机的字节数量就是：

  1. 4T = 4 x 1024G
  2.    = 4 x 1024 x 1024M
  3.    = 4 x 1024 x 1024 x 1024K
  4.    = 4 x 1024 x 1024 x 1024 x 1024
  5.    = 4398046511104

不同的数据类型占用的字节数不一样。我们看一下Java基本数据类型占用的字节数：

  1.        ┌───┐
  2.   byte │   │
  3.        └───┘
  4.        ┌───┬───┐
  5.  short │   │   │
  6.        └───┴───┘
  7.        ┌───┬───┬───┬───┐
  8.    int │   │   │   │   │
  9.        └───┴───┴───┴───┘
  10.        ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
  11.   long │   │   │   │   │   │   │   │   │
  12.        └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
  13.        ┌───┬───┬───┬───┐
  14.  float │   │   │   │   │
  15.        └───┴───┴───┴───┘
  16.        ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
  17. double │   │   │   │   │   │   │   │   │
  18.        └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
  19.        ┌───┬───┐
  20.   char │   │   │
  21.        └───┴───┘

byte恰好就是一个字节，而long和double需要8个字节。

整型

对于整型类型，Java只定义了带符号的整型，因此，最高位的bit表示符号位（0表示正数，1表示负数）。各种整型能表示的最大范围如下：

  • byte：-128 ~ 127
  • short: -32768 ~ 32767
  • int: -2147483648 ~ 2147483647
  • long: -9223372036854775808 ~ 9223372036854775807

我们来看定义整型的例子：

变量和数据类型 - 图4

特别注意：同一个数的不同进制的表示是完全相同的，例如15\=0xf＝0b1111。

浮点型

浮点类型的数就是小数，因为小数用科学计数法表示的时候，小数点是可以“浮动”的，如1234.5可以表示成12.345x102，也可以表示成1.2345x103，所以称为浮点数。

下面是定义浮点数的例子：

  1. float f1 = 3.14f;
  2. float f2 = 3.14e38f; // 科学计数法表示的3.14x10^38
  3. double d = 1.79e308;
  4. double d2 = -1.79e308;
  5. double d3 = 4.9e-324; // 科学计数法表示的4.9x10^-324

对于float类型，需要加上f后缀。

浮点数可表示的范围非常大，float类型可最大表示3.4x1038，而double类型可最大表示1.79x10308。

布尔类型

布尔类型boolean只有true和false两个值，布尔类型总是关系运算的计算结果：

  1. boolean b1 = true;
  2. boolean b2 = false;
  3. boolean isGreater = 5 > 3; // 计算结果为true
  4. int age = 12;
  5. boolean isAdult = age >= 18; // 计算结果为false

Java语言对布尔类型的存储并没有做规定，因为理论上存储布尔类型只需要1 bit，但是通常JVM内部会把boolean表示为4字节整数。

字符类型

字符类型char表示一个字符。Java的char类型除了可表示标准的ASCII外，还可以表示一个Unicode字符：

变量和数据类型 - 图5

注意char类型使用单引号'，且仅有一个字符，要和双引号"的字符串类型区分开。

引用类型

除了上述基本类型的变量，剩下的都是引用类型。例如，引用类型最常用的就是String字符串：

  1. String s = "hello";

引用类型的变量类似于C语言的指针，它内部存储一个“地址”，指向某个对象在内存的位置，后续我们介绍类的概念时会详细讨论。

常量

定义变量的时候，如果加上final修饰符，这个变量就变成了常量：

  1. final double PI = 3.14; // PI是一个常量
  2. double r = 5.0;
  3. double area = PI * r * r;
  4. PI = 300; // compile error!

常量在定义时进行初始化后就不可再次赋值，再次赋值会导致编译错误。

常量的作用是用有意义的变量名来避免魔术数字（Magic number），例如，不要在代码中到处写3.14，而是定义一个常量。如果将来需要提高计算精度，我们只需要在常量的定义处修改，例如，改成3.1416，而不必在所有地方替换3.14。

根据习惯，常量名通常全部大写。

var关键字

有些时候，类型的名字太长，写起来比较麻烦。例如：

  1. StringBuilder sb = new StringBuilder();

这个时候，如果想省略变量类型，可以使用var关键字：

  1. var sb = new StringBuilder();

编译器会根据赋值语句自动推断出变量sb的类型是StringBuilder。对编译器来说，语句：

  1. var sb = new StringBuilder();

实际上会自动变成：

  1. StringBuilder sb = new StringBuilder();

因此，使用var定义变量，仅仅是少写了变量类型而已。

变量的作用范围

在Java中，多行语句用{ }括起来。很多控制语句，例如条件判断和循环，都以{ }作为它们自身的范围，例如：

  1. if (...) { // if开始
  2.     ...
  3.     while (...) { // while 开始
  4.         ...
  5.         if (...) { // if开始
  6.             ...
  7.         } // if结束
  8.         ...
  9.     } // while结束
  10.     ...
  11. } // if结束

只要正确地嵌套这些{ }，编译器就能识别出语句块的开始和结束。而在语句块中定义的变量，它有一个作用域，就是从定义处开始，到语句块结束。超出了作用域引用这些变量，编译器会报错。举个例子：

  1. {
  2.     ...
  3.     int i = 0; // 变量i从这里开始定义
  4.     ...
  5.     {
  6.         ...
  7.         int x = 1; // 变量x从这里开始定义
  8.         ...
  9.         {
  10.             ...
  11.             String s = "hello"; // 变量s从这里开始定义
  12.             ...
  13.         } // 变量s作用域到此结束
  14.         ...
  15.         // 注意，这是一个新的变量s，它和上面的变量同名，
  16.         // 但是因为作用域不同，它们是两个不同的变量:
  17.         String s = "hi";
  18.         ...
  19.     } // 变量x和s作用域到此结束
  20.     ...
  21. } // 变量i作用域到此结束

定义变量时，要遵循作用域最小化原则，尽量将变量定义在尽可能小的作用域，并且，不要重复使用变量名。

小结

Java提供了两种变量类型：基本类型和引用类型

基本类型包括整型，浮点型，布尔型，字符型。

变量可重新赋值，等号是赋值语句，不是数学意义的等号。

常量在初始化后不可重新赋值，使用常量便于理解程序意图。

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变量和数据类型 - 图6