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Java中自動型別轉換溢位問題引發的探究

2020-10-05 01:00:16

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語言型別的強弱並沒有好壞之分

程式設計鼻祖C語言是有型別的語言，在C語言中的變數必須滿足：「在使用前定義，並確定型別」。在C語言之後的程式語言向著兩個方向發展：

  • C++、Java為代表的強型別語言
    更加強調型別，對型別的檢查比Ｃ語言更嚴格。
  • JavaScript、Python、PHP為代表的弱型別語言
    不看重型別，甚至不需要事先定義。

一般來說，面向底層的語言更加強調型別；而越是面向應用的語言會越忽視型別，而去重視事務邏輯的處理。

Java中所有的數值型別所佔據的位元組數量與平臺無關

C/C++中int和long等型別的大小與目標平臺相關，因為程式需要針對不同的處理器選擇最為高效的整型，例如，在32位元處理器上long值為4位元組；在64位元處理器上則為8位元組。這樣就有可能造成一個在64位元處理器上執行的很好的C程式在32位元處理器上執行卻發生整數溢位。這就為編寫跨平臺程式帶來了很大的難度。

而在Java中，所有的數值型別所佔據的位元組數量與平臺無關，即數值型別的範圍與執行Java程式碼的機器無關，這也是Java跨平臺的一個表現。

另外，Java中的int、long、short、byte型別都是有符號的。底層的二進位制形式中，首位如果是 0，就是正的；首位是1就是負的。另外，char則是0-65535的無符號數，從char轉換到int型別時，缺少的高16位元位元組用0擴充套件。

Java - Type預設值大小取值範圍
byte01位元組-128 - 127
short02位元組-32768 - 32767
int04位元組-2147483648 to 2147483647（21億多）
long0L8位元組-232-1 to (232-1-1)
float0.0f4位元組±1.4E-45 to ±3.4028235E+38（有效位數為6~7位）
double0.0d8位元組±4.9E-324 to ±1.7976931348623157E+308（有效位數為15位）
char‘\u0000’2位元組0-65535
booleanfalse取決於Java虛擬機器器true 或 false

在這裡插入圖片描述
輸出如下：

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  • 不同型別的變數在記憶體中的表現形式是不同的，整型變數在記憶體中表現為2進位制數，浮點型變數在記憶體中表現為編碼形式。

資料型別之間的轉換

在這裡插入圖片描述
上圖中，6個實心箭頭的轉換表示無資訊丟失的轉換；3個虛箭頭的轉換表示可能有精度損失的轉換。如果兩個不同的數值型別進行二元操作時，先要將兩個運算元轉換為同一種型別，然後再進行計算，計算規則如下：

  • 如果兩個運算元中，有一個是double型別，另一個運算元就會轉換為double型別。
  • 否則，如果其中一個運算元是float型別，另一個運算元就會轉換為float型別。
  • 否則，如果其中一個運算元是long型別，另一個運算元就會轉換為long型別。
  • 否則，兩個運算元都將被轉換為int型別。

特別的：整型向字元型轉換時，JVM會把數位當成字元的ASCII編碼來處理。

        //將整型型別強制轉換為字元型時,JVM會把數位當成字元的ASCII編碼來處理.
        char i = (char)97;
        System.out.println(i);//輸出：a

資料溢位問題

資料溢位問題就是：當某一種型別的數值已經達到了此型別能夠儲存的最大值之後，再繼續擴大，或者達到了最小值後再繼續縮小，就會出現資料溢位問題。

整型型別溢位

下面的程式碼以int型別為例，測試對int型別進行溢位測試：

package com.gql;

/**
 int型別的溢位測試
 @author Hudie
 @date 2020/10/2 - 11:53
 */
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //int型別的最小值為:-2^31
        int a = -2147483648;
        System.out.println("int型別的最小值為:"+a);
        System.out.println("int型別的最小值減1為:"+(a-1));
        System.out.println("int型別的最小值減2為:"+(a-2));
        System.out.println("int型別的最小值減3為:"+(a-3));
        System.out.println("int型別的最小值減4為:"+(a-4));
        System.out.println("//總結:超過最小值的資料會向下溢位變成正數.\n");

        //int型別的最大值為2^31 - 1
        a = 2147483647;
        System.out.println("int型別的最大值為:"+a);
        System.out.println("int型別的最大值加1為:"+(a+1));
        System.out.println("int型別的最大值加2為:"+(a+2));
        System.out.println("int型別的最大值加3為:"+(a+3));
        System.out.println("int型別的最大值加4為:"+(a+4));
        System.out.println("總結:超過最大值的資料會向上溢位變成負數.\n");
    }
}

在這裡插入圖片描述

上面的程式碼符合了整型的資料溢位規則：即超過最大值的整型數值會向上溢位變成負數；超過最小值的整型數值會向下溢位變成正數。

前文提到過，Java中的int、long、short、byte型別都是有符號的。而在C/C++語言中，溢位規則分為兩種：

  • 有符號的整型溢位：「undefined behavior」，即由編譯器實現，通常的編譯器都是按照上面測試的整型資料溢位規則。
  • 無符號的整型溢位：溢位後的數會以2^(8*sizeof(type))作模運算

整型轉換為字元型的溢位

字元型資料在記憶體中一般情況下下佔據一個位元組(如今有些Unicode字元需要用兩個char來描述)，其存放的就是這個字元對應的ASCLL碼的整數值，所以字元型資料和整型資料之間可以通用。

在這裡插入圖片描述
ASCCLL碼錶畢竟範圍有限，在轉換時也可能會出現字元型的溢位：

下面的程式碼演示整型向字元型轉換時出現的溢位情況。

        int j = (char)0;
        System.out.println(j);
        j = (char)-1;
        System.out.println(j);
        j = (char)-2;
        System.out.println(j);
        j = (char)-3;
        System.out.println(j);
        System.out.println("總結:超過最小值的資料會向下溢位變成正數");

        System.out.println("-------");
        j = (char)65535;

        System.out.println(j);
        j = (char)65536;
        System.out.println(j);
        j = (char)65537;
        System.out.println(j);
        System.out.println("總結:超過最大值的資料會向下溢位仍變成正數(因為char型別的符號位永遠是0,即正數)");

在這裡插入圖片描述

可以發現整型轉換為字元型時的溢位規律：

  • 當超過最小值的資料時會向下溢位，變成正數，所以直接取了char型別的最大值65535。
  • 當超過最大值的資料時會向上溢位，由於字元型不能變成負數，所以直接取了最小值0。
  • 可以將上面兩條概括理解為，超過最大值後，取最小值；超過最小值後，取最大值。