【Java基礎】Java的8種基本數據類型深入介紹

Java的8種基本數據類型介紹

基本數據類型存儲大小說明，在瞭解存儲大小說明之前我們先來了解幾個基本的概念：

1. 位（bit）：位表示的是二進制位，一般稱爲比特，是計算機存儲的最小單位。
2. 字節(byte)：字節是計算機中數據處理的基本單位。計算機中以字節爲單位存儲和解 釋信息，規定一個字節由八個二進制位構成，即1個字節等於8個比特（1Byte=8bit）。
3. 字：計算機進行數據處理時，一次存取、加工和傳送的數據長度稱爲字（word）。一個字通常由一個或多個（一般是字節的整數位）字節構成。例如286微機的字由2個字節組成，它的字長爲16；486微機的字由4個字節組成，它的字長爲32位機。
4. 字長：計算機的每個字所包含的位數稱爲字長。根據計算機的不同，字長有固定的和可變的兩種。固定字長，即字長度不論什麼情況都是固定不變的；可變字長，則在一定範圍內，其長度是可變的。計算的字長是指它一次可處理的二進制數字的數目。計算機處理數據的速率，自然和它一次能加工的位數以及進行運算的快慢有關。如果一臺計算機的字長是另一臺計算機的兩倍，即使兩臺計算機的速度相同，在相同的時間內，前者能做的工作是後者的兩倍。字長是衡量計算機性能的一個重要因素。

再來看看一張表吧，如下圖，每個類型都有一定的表示範圍，但是，在程序中有些計算會導致超出表示範圍，即溢出。溢出的時候並不會拋異常，也沒有任何提示。所以，在程序中，使用同類型的數據進行運算的時候，一定要注意數據溢出的問題。

數據類型	佔用字節數	初始值	取值範圍
byte	字節型 1字節(8bit)	0	-128~127（-27～ 27-1 )
char	字符型 2字節(16bit)	‘\u0000’	採用unicode編碼，字符的存儲範圍在\u0000~\uFFFF
short	短整型 2字節(16bit)	0	-32768~32767（-215 ～ 215-1）
int	整型 4字節(32bit)	0	-231 ～ 231-1
long	長整型 8字節(64Bit)	0L	-263 ～ 263-1
float	單精度浮點型 4字節(32bit)	0.0f	1.4e-45f ～3.4028235e+38f
double	雙精度浮點型 8字節(64bit)	0.0d	4.9e-324～1.7976931348623157e+308
boolean	java未明確指出的大小(可能1bit、1byte、4byte)	false	true/false

由上表可以發現，boolean類型內存佔用情況Java並沒有明確定義，爲什麼呢？

因爲對虛擬機來說根本就不存在 boolean 這個類型，boolean類型在編譯後會使用其他數據類型來表示，那boolean類型究竟佔用多少個字節？帶着疑問，隨便網上一搜，答案五花八門，基本有以下幾種：

1、佔1個bit
理由是boolean類型的值只有true和false兩種邏輯值，在編譯後會使用1和0來表示，這兩個數在內存中只需要1位（bit）即可存儲，位是計算機最小的存儲單位。

2、佔1個字節
理由是雖然編譯後1和0只需佔用1位空間，但計算機處理數據的最小單位是1個字節，1個字節等於8位，實際存儲的空間是：用1個字節的最低位存儲，其他7位用0填補，如果值是true的話則存儲的二進制爲：0000 0001，如果是false的話則存儲的二進制爲：0000 0000。

3、佔4個字節
理由來源是《Java虛擬機規範》一書中的描述：“雖然定義了boolean這種數據類型，但是隻對它提供了非常有限的支持。在Java虛擬機中沒有任何供boolean值專用的字節碼指令，Java語言表達式所操作的boolean值，在編譯之後都使用Java虛擬機中的int數據類型來代替，而boolean數組將會被編碼成Java虛擬機的byte數組，每個元素boolean元素佔8位”。這樣我們可以得出boolean類型佔了單獨使用是4個字節，在數組中又是1個字節。

顯然第三條是更準確的說法，那虛擬機爲什麼要用int來代替boolean呢？爲什麼不用byte或short，這樣不是更節省內存空間嗎。大多數人都會很自然的這樣去想，我同樣也有這個疑問，經過查閱資料發現，使用int的原因是，對於當下32位的處理器（CPU）來說，一次處理數據是32位（這裏不是指的是32/64位系統，而是指CPU硬件層面），具有高效存取的特點。

最後的總結：
根據http://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/nutsandbolts/datatypes.html官方文檔的描述：
boolean: The boolean data type has only two possible values: true and false. Use this data type for simple flags that track true/false conditions. This data type represents one bit of information, but its “size” isn’t something that’s precisely defined.
布爾類型：布爾數據類型只有兩個可能的值：真和假。使用此數據類型爲跟蹤真/假條件的簡單標記。這種數據類型就表示這一點信息，但是它的“大小”並不是精確定義的。
可以看出，boolean類型沒有給出精確的定義，《Java虛擬機規範》給出了4個字節，和boolean數組1個字節的定義，具體還要看虛擬機實現是否按照規範來，所以1個字節、4個字節都是有可能的。這其實是運算效率和存儲空間之間的博弈，兩者都非常的重要。

另外由上表可以看出，1byte=8bit(位)，學過計算機的都瞭解，二進制中最高位代表符號位，那麼Java中，爲什麼byte類型的取值範圍爲【-128~127】而不是[-127,127]

在解釋這個問題之前我們需要了解幾個概念：機器數、真值、原碼、反碼、補碼

機器數：
一個數在計算機中的二進制表示形式, 叫做這個數的機器數。機器數是帶符號的，在計算機用一個數的最高位存放符號, 正數爲0, 負數爲1。

比如：十進制中的數 +3 ，計算機字長爲8位，轉換成二進制就是00000011。如果是 -3 ，就是 10000011 。那麼，這裏的 00000011 和 10000011 就是機器數。

真值：
因爲第一位是符號位，所以機器數的形式值就不等於真正的數值。例如上面的有符號數 10000011，其最高位1代表負，其真正數值是 -3 而不是形式值131（10000011轉換成十進制等於131）。所以，爲區別起見，將帶符號位的機器數對應的真正數值稱爲機器數的真值。

例：0000 0001的真值 = +000 0001 = +1，1000 0001的真值 = –000 0001 = –1

原碼：
原碼就是符號位加上真值的絕對值, 即用第一位表示符號, 其餘位表示值. 比如如果是8位二進制:

[+1]原 = 0000 0001
[-1]原 = 1000 0001
第一位是符號位. 因爲第一位是符號位, 所以8位二進制數的取值範圍就是:[1111 1111 , 0111 1111]
即[-127 , 127]。原碼是人腦最容易理解和計算的表示方式.

反碼：
反碼的表示方法是:正數的反碼是其本身，負數的反碼是在其原碼的基礎上, 符號位不變，其餘各個位取反。

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反
[-1] = [10000001]原 = [11111110]反

可見如果一個反碼錶示的是負數, 人腦無法直觀的看出來它的數值. 通常要將其轉換成原碼再計算.

補碼：
補碼的表示方法是:

正數的補碼就是其本身

負數的補碼是在其原碼的基礎上, 符號位不變, 其餘各位取反, 最後+1. (即在反碼的基礎上+1)

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]補
[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]補

對於負數, 補碼錶示方式也是人腦無法直觀看出其數值的. 通常也需要轉換成原碼在計算其數值.

正數：
正數的反碼和補碼都與原碼相同
負數：
負數的反碼、補碼與原碼不同，負數的反碼：原碼中除去符號位，其他的數值位取反，0變1，1變0。負數的補碼：反碼+1

解釋：爲什麼byte類型的取值範圍爲-128~127？

現在我們知道了計算機可以有三種編碼方式表示一個數. 對於正數因爲三種編碼方式的結果都相同:

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]補

所以不需要過多解釋. 但是對於負數:

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]補

可見原碼, 反碼和補碼是完全不同的. 既然原碼纔是被人腦直接識別並用於計算表示方式, 爲何還會有反碼和補碼呢?

首先, 因爲人腦可以知道第一位是符號位, 在計算的時候我們會根據符號位, 選擇對真值區域的加減. (真值的概念在本文最開頭). 但是對於計算機, 加減乘數已經是最基礎的運算, 要設計的儘量簡單. 計算機辨別”符號位”顯然會讓計算機的基礎電路設計變得十分複雜! 於是人們想出了將符號位也參與運算的方法. 我們知道, 根據運算法則減去一個正數等於加上一個負數, 即: 1-1 = 1 + (-1) = 0 , 所以機器可以只有加法而沒有減法, 這樣計算機運算的設計就更簡單了.

於是人們開始探索 將符號位參與運算, 並且只保留加法的方法. 首先來看原碼:

計算十進制的表達式: 1-1=0

1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原 + [10000001]原 = [10000010]原 = -2

如果用原碼錶示, 讓符號位也參與計算, 顯然對於減法來說, 結果是不正確的.這也就是爲何計算機內部不使用原碼錶示一個數.

爲了解決原碼做減法的問題, 出現了反碼:

計算十進制的表達式: 1-1=0

1 - 1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原= [0000 0001]反 + [1111 1110]反 = [1111 1111]反 = [1000 0000]原 = -0

發現用反碼計算減法, 結果的真值部分是正確的. 而唯一的問題其實就出現在”0”這個特殊的數值上. 雖然人們理解上+0和-0是一樣的, 但是0帶符號是沒有任何意義的. 而且會有[0000 0000]原和[1000 0000]原兩個編碼表示0.

於是補碼的出現, 解決了0的符號以及兩個編碼的問題:

1-1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原 =[0000 0001]反 + [1111 1110]反= [0000 0001]補 + [1111 1111]補 = [0000 0000]補=[0000 0000]原

這樣0用[0000 0000]表示, 而以前出現問題的-0則不存在了.而且可以用[1000 0000]表示-128:

(-1) + (-127) = [1000 0001]原 + [1111 1111]原 = [1111 1111]補 + [1000 0001]補 = [1000 0000]補

-1-127的結果應該是-128, 在用補碼運算的結果中, [1000 0000]補 就是-128. 但是注意因爲實際上是使用以前的-0的補碼來表示-128, 所以-128並沒有原碼和反碼錶示.(對-128的補碼錶示[1000 0000]補算出來的原碼是[0000 0000]原, 這是不正確的)，使用補碼, 不僅僅修復了0的符號以及存在兩個編碼的問題, 而且還能夠多表示一個最低數. 這就是爲什麼8位二進制, 使用原碼或反碼錶示的範圍爲[-127, +127], 而使用補碼錶示的範圍爲[-128, 127]。

因爲機器使用補碼, 所以對於編程中常用到的32位int類型, 可以表示範圍是: [-231, 231-1] 因爲第一位表示的是符號位.而使用補碼錶示時又可以多保存一個最小值。