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深入了解Java的八种基本数据类型 java几种基本数据类型

gowuye 2024-04-04 11:53 8 浏览 0 评论

前言

众所周知,Java是一门面向对象语言,在纯粹面向对象思想中,万物皆对象。而Java引进了八个基本数据类型,来支持数值计算,其原因主要是工程上的考虑,因为使用基本类型能够在执行效率以及内存使用两方面提升软件性能。

现在,我们来了解下基本类型在Java虚拟机中的实现。

public void BooleanTest(){
 boolean 吃过饭没 = 2;//直接编译的话javac会报错
 if(吃过饭没) {
 System.out.println("吃了");
 }
 if(true == 吃过饭没) {
 System.out.println("真吃了");
 }
}

以上构造了这么一段代码,它将一个 boolean 类型的局部变量赋值为 2。为了方便记忆,我们给这个变量起个名字,就叫“吃过饭没”。赋值语句后边我设置了两个看似一样的 if 语句。第一个 if 语句,也就是直接判断“吃过饭没”,在它成立的情况下,代码会打印“吃了”。

第二个 if 语句,也就是判断“吃过饭没”和 true 是否相等,在它成立的情况下,代码会打印“真吃了”。

当然,直接编译这段代码,编译器是会报错的。所以,我迂回了一下,采用一个 Java 字节码的汇编工具,直接对字节码进行更改。那么问题就来了:当一个 boolean 变量的值是 2 时,它究竟是 true 还是 false 呢?如果你跑过这段代码,你会发现,问虚拟机“吃过饭没”,它会回答“吃了”,而问虚拟机“真(==)吃过饭没”,虚拟机则不会回答“真吃了”。

(PS:Java 字节码的汇编工具可以在Java字节码层面来修改代码,我了解到的类似工具有AsmTools)

那么虚拟机到底吃过没,下面我们来一起分析一下这背后的细节。

Java虚拟机的boolean类型

首先,我们来看看 Java 语言规范以及 Java 虚拟机规范是怎么定义 boolean 类型的。

在 Java 语言规范中,boolean 类型的值只有两种可能,它们分别用符号“true”和“false”来表示。显然,这两个符号是不能被虚拟机直接使用的。

在 Java 虚拟机规范中,boolean 类型则被映射成 int 类型。具体来说,“true”被映射为整数 1,而“false”被映射为整数 0。这个编码规则约束了 Java 字节码的具体实现。

举个例子,对于存储 boolean 数组的字节码,Java 虚拟机需保证实际存入的值是整数 1 或者 0。

Java 虚拟机规范同时也要求 Java 编译器遵守这个编码规则,并且用整数相关的字节码来实现逻辑运算,以及基于 boolean 类型的条件跳转。这样一来,在编译而成的 class 文件中,除了字段和传入参数外,基本看不出 boolean 类型的痕迹了。

public static BooleanTest()V
 L0
 ICONST_2 //这里用AsmTools更改了这一指令
 ISTORE 0
 L1
 ILOAD 0
 IFEQ L2
 L3
 GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
 LDC "吃了"
 INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
 L2
 FRAME APPEND [I]
 ICONST_1
 ILOAD 0
 IF_ICMPNE L4
 L5
 GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
 LDC "真吃了"
 INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
 L4
 FRAME SAME
 RETURN

根据以上字节码,第一个 if 语句会被编译成条件跳转字节码 ifeq,翻译成人话就是说,如果局部变量“吃过饭没”的值为 0,那么跳过打印“吃了”的语句。

而第二个 if 语句则会被编译成条件跳转字节码 if_icmpne,也就是说,如果局部变量的值和整数 1 不相等,那么跳过打印“真吃了”的语句。

可以看到,Java 编译器的确遵守了相同的编码规则。当然,这个约束很容易绕开,使用字节码汇编工具修改javac编译得到的原始字节码便可以做到。

对于 Java 虚拟机来说,它看到的 boolean 类型,早已被映射为整数类型。因此,将原本声明为 boolean 类型的局部变量,赋值为除了 0、1 之外的整数值,在 Java 虚拟机看来是“合法”的。

在我们的例子中,经过编译器编译之后,Java 虚拟机看到的不是在问“吃过饭没”,而是在问“吃过几碗饭”。也就是说,第一个 if 语句变成:你不会一碗饭都没吃吧。第二个 if 语句则变成:你吃过一碗饭了吗。

如果我们约定俗成,每人每顿只吃一碗,那么第二个 if 语句还是有意义的。但如果我们打破常规,吃了两碗,那么较真的 Java 虚拟机就会将第二个 if 语句判定为假了。

Java的基本数据类型

除了上面提到的boolean类型外,Java的基本数据类型还包括整数类型byte、short、char、int和long,以及浮点类型double和float。

Java 的基本类型都有对应的值域和默认值。可以看到,byte、short、int、long、float 以及 double 的值域依次扩大,而且前面的值域被后面的值域所包含。因此,从前面的基本类型转换至后面的基本类型,无需强制转换。另外一点值得注意的是,尽管他们的默认值看起来不一样,但在内存中都是 0。

在这些基本类型中,boolean 和 char 是唯二的无符号类型。在不考虑违反规范的情况下,boolean 类型的取值范围是 0 或者 1。char 类型的取值范围则是 [0, 65535]。通常我们可以认定 char 类型的值为非负数。这种特性十分有用,比如说作为数组索引等。

在前面的例子中,我们能够将整数 2 存储到一个声明为 boolean 类型的局部变量中。那么,声明为 byte、char 以及 short 的局部变量,是否也能够存储超出它们取值范围的数值呢?

答案是可以的。而且,这些超出取值范围的数值同样会带来一些麻烦。比如说,声明为 char 类型的局部变量实际上有可能为负数。当然,在正常使用 Java 编译器的情况下,生成的字节码会遵守 Java 虚拟机规范对编译器的约束,因此你无须过分担心局部变量会超出它们的取值范围。

Java基本数据类型的大小

Java 虚拟机每调用一个 Java 方法,便会创建一个栈帧。为了方便理解,这里只讨论供解释器使用的解释栈帧(interpreted frame)。

这种栈帧有两个主要的组成部分,分别是局部变量区,以及字节码的操作数栈。这里的局部变量是广义的,除了普遍意义下的局部变量之外,它还包含实例方法的“this 指针”以及方法所接收的参数。

在 Java 虚拟机规范中,局部变量区等价于一个数组,并且可以用正整数来索引。除了 long、double 值需要用两个数组单元来存储之外,其他基本类型以及引用类型的值均占用一个数组单元。

也就是说,boolean、byte、char、short 这四种类型,在栈上占用的空间和 int 是一样的,和引用类型也是一样的。因此,在 32 位的 HotSpot 中,这些类型在栈上将占用 4 个字节;而在 64 位的 HotSpot 中,他们将占 8 个字节。

当然,这种情况仅存在于局部变量,而并不会出现在存储于堆中的字段或者数组元素上。对于 byte、char 以及 short 这三种类型的字段或者数组单元,它们在堆上占用的空间分别为一字节、两字节,以及两字节,也就是说,跟这些类型的值域相吻合。

因此,当我们将一个 int 类型的值,存储到这些类型的字段或数组时,相当于做了一次隐式的掩码操作。举例来说,当我们把 0xFFFFFFFF(-1)存储到一个声明为 char 类型的字段里时,由于该字段仅占两字节,所以高两位的字节便会被截取掉,最终存入“\uFFFF”。

boolean 字段和 boolean 数组则比较特殊。在 HotSpot 中,boolean 字段占用一字节,而 boolean 数组则直接用 byte 数组来实现。为了保证堆中的 boolean 值是合法的,HotSpot 在存储时显式地进行掩码操作,也就是说,只取最后一位的值存入 boolean 字段或数组中。

讲完了存储,现在来讲讲加载。Java 虚拟机的算数运算几乎全部依赖于操作数栈。也就是说,我们需要将堆中的 boolean、byte、char 以及 short 加载到操作数栈上,而后将栈上的值当成 int 类型来运算。

对于 boolean、char 这两个无符号类型来说,加载伴随着零扩展。举个例子,char 的大小为两个字节。在加载时 char 的值会被复制到 int 类型的低二字节,而高二字节则会用 0 来填充。

对于 byte、short 这两个类型来说,加载伴随着符号扩展。举个例子,short 的大小为两个字节。在加载时 short 的值同样会被复制到 int 类型的低二字节。如果该 short 值为非负数,即最高位为 0,那么该 int 类型的值的高二字节会用 0 来填充,否则用 1 来填充。

总结

本文主要介绍了Java基本数据类型在虚拟机中的实现,其中,boolean 类型在 Java 虚拟机中被映射为整数类型:“true”被映射为 1,而“false”被映射为 0。Java 代码中的逻辑运算以及条件跳转,都是用整数相关的字节码来实现的。

除 boolean 类型之外,Java 还有另外 7 个基本类型。它们拥有不同的值域,但默认值在内存中均为 0。

除 long 和 double 外,其他基本类型与引用类型在解释执行的方法栈帧中占用的大小是一致的,但它们在堆中占用的大小确不同。在将 boolean、byte、char 以及 short 的值存入字段或者数组单元时,Java 虚拟机会进行掩码操作。在读取时,Java 虚拟机则会将其扩展为 int 类型。

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