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Java Tutorial 第二堂(1)數值與字串型態

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Java Tutorial 第一堂(4)套件、I/O 與例外 << 前情

第二堂上課囉!在知道怎麼撰寫、執行第一個 Java 程式之後,接下來就要瞭解一下 Java 這個程式語言,只不過我們只剩五個小時,因而採取的方式是,在這一個小時很快地瀏覽過 Java 語言的重要基本元素,之後四個小時再從更多實際的範例中瞭解 Java 語言。

那麼,哪些東西才是語言中重要而基本的元素呢?Pascal 之父 Niklaus E. Writh 曾說過:

Algorithms + Data Structures = Programs

演算法與資料結構就等於程式,而一門語言提供的資料型態(Data type)、運算子(Operator)、程式碼封裝方式等,會影響演算法與資料結構的實作方式,因此這一堂對於 Java 語言講解的重點將選定在:

  • 型態系統、變數(Variable)與運算子(Operator)
  • 方法(Method)、類別(Class)與套件(Package)

型態系統

雖然帶動與普及了物件導向的設計,不過 Java 本身並不是純綷的物件導向語言,像是就型態系統而言,Java 就並非每個值都是物件,就目前版本的 Java 而言,混合了兩個型態系統:基本型態(Primitive type)物件型態(Object type)

Java 中的基本型態就是純綷的值,1 就是 1,0.2 就是 0.2,true 就是 true,除此之外沒有其他資訊了,基本型態的存在,代表著過去程式設計的主要目的:進行數學運算。實際上,基本型態是 Java 這種命令式(Imperative)語言中存在的函數式(Functional)元素,因為 1 就是 1,你沒有辦法改變它,1 + 2 是一個數學操作,結果是產生新的值 3。

Java 支援物件導向,物件型態就是另一型態系統,物件是由一組相關的狀態,以及支援狀態的操作組成。對於基本型態,Java 亦有對應的包裹器(Wrapper)型態,可配合需要物件的場合。過去曾經討論過,在未來的版本中也許會拿掉 Java 中基本型態,只留下物件型態,不過現階段而言,基本型態與物件型態還是並存的,兩種都必須瞭解。

型態眾多,對於初學一門語言來說,或說對於學習 Java 語言來說,這邊將著重在以下幾個型態之介紹:

  • 數值型態(Numeric type)
  • 字元(Char)、字串型態(String type)
  • 容器型態(Container type)

這篇文章中,我們要先來認識數值型態與字串型態,而數值型態中會一併介紹基本型態與對應的物件型態。

數值型態

在基本型態中,依需要的資料長度不同,整數可以使用 byte(單位元組)、short(雙位元組)、int(四位元組)與 long(八位元組)型態。基本上,沒有特定需求(像是處理位元資料、時間戳記等),多半使用 int 整數。

如果僅寫下 1 這樣的實字(Literal),會是 int 型態;如果實字指定給變數,實字數值若在變數型態可裝載範圍內,則會將數值儲存至變數,如果不行就會編譯錯誤;

byte number1 = 1;
byte number2 = 128; // error: possible loss of precision

Java 中不會自動使用 long 來儲存較長的整數實字,如果想要寫下的實字是 long 型態,必須在實字後加上 L,透過以下這個例子會比較清楚:

long number1 = 12345678987654321L;
long number2 = 12345678987654321; // error: integer number too large: 12345678987654321

long 型態是可以容納 12345678987654321的,第二行編譯錯誤的原因是在於編譯器發現用 int 裝不下 12345678987654321 這個實字,而不是 long 型態的變數 number2 裝不下 12345678987654321。

那麼超過 long 可容納範圍的數要怎麼表示?像是 9223372036854775808L 是會編譯錯誤的!Java 使用 java.math.BigInteger 來解決。例如要表示數學運算 9223372036854775808 + 9223372036854775808 的結果,可以如下:

import java.math.BigInteger;
import static java.lang.System.out;

public class Cal {
    public static void main(String[] args) {
        BigInteger x = new BigInteger(args[0]);
        BigInteger y = new BigInteger(args[2]);
        switch(args[1]) {
            case "+": out.println(x.add(y)); break;
            case "-": out.println(x.subtract(y)); break;
            case "x": out.println(x.multiply(y)); break;
            case "/": out.println(x.divide(y));
        }
    }
}

switch 從 JDK7 開始,可以支援字串,在這之前,僅支援整數、字元與列舉(Enum),這個程式可以進行簡單的加、減、乘、除運算,像是…

java-tutorial-the-2nd-class-1-1

如果需要將基本型態包裝為物件型態,可以直接使用對應的 ByteShortIntegerLong 包裹器(Wrapper)類別,像是:

Integer x = 10;
Integer y = 20;
Integer z = x + y;

這當中有一些語法蜜糖,目的在讓你使用這些包裹器類別時,如同使用基本型態一樣的方便。

在基本型態中,依需要的資料精確度不同,浮點數可以使用 float(四位元組) 與 double(八位元組)兩個型態。在程式中寫下像是 0.3 這樣的浮點數實字,會使用 double 型態,因此 …

double number1 = 0.3;
float number2 = 0.3; // error: possible loss of precision

如果想要使用 float 型態,有兩種方式,一是在實字上指定 F,表示這個浮點數要使用 float,另一種方式就是用所謂的轉型(Cast)語法叫編譯器別囉嗦:

float number1 = 0.3F;
float number2 = (float) 0.3;

在數值前加上一個型態限定,通常被稱之為轉型,實際上,這就是關閉編譯器在此處的型態檢查,這樣編譯器就會乖乖地完成編譯,只不過你如果要編譯器在編譯時別那麼囉嗦,那執行時期如果 double 的值真的超過了 float 變數可容納的範圍,那就只能硬裝進去了,也就是多出來的位元組會被切掉,也就是會有精度遺失問題。

多數 CPU 與浮點運算器多採用 IEEE754 浮點數運算(IEEE 754 floating-point arithmetic),某些浮點數本身就有誤差,這是每個程式人都應該知道的事。像是 1.0 – 0.8 在程式中不會是 0.2,是電腦科學中違反數學的例子之一:

System.out.println(1.0 - 0.8); // 顯示 0.19999999999999996

如果你需要精確度,程式中不應當使用浮點數來直接進行運算,尤其是要避免「算錢用浮點,遲早被人扁」的可能性發生,在需要浮點數精度的時候,Java 中可以使用 java.math.BigDecimal,例如:

import java.math.BigDecimal;
import static java.lang.System.out;

public class Cal {
    public static void main(String[] args) {
        BigDecimal x = new BigDecimal(args[0]);
        BigDecimal y = new BigDecimal(args[2]);
        switch(args[1]) {
            case "+": out.println(x.add(y)); break;
            case "-": out.println(x.subtract(y)); break;
            case "x": out.println(x.multiply(y)); break;
            case "/": out.println(x.divide(y));
        }
    }
}

這個例子不過是將前一個計算大整數的程式,把 BigInteger 改為 BigDecimal,以支援浮點數精度,一個使用的例子是…

java-tutorial-the-2nd-class-1-2

字元、字串型態

字串是由字元組成,在 Java 中要表示字元,必須使用單引號來包裹,像是 'A''程' 就表示字元,型態是 char 基本型態。Java 支援 Unicode,內部實作採用 UTF-16 Big Endian,也就是說,無論中英文字元,都會使用兩個位元組,這也就是為何在入門階段,不用特別在意原始碼文字編碼問題處理的原因。由於單引號被用來表示一個字元實字,因此如果想要表示單引號字元的話,就必須使用略過(Escape)字元 \,也就是 '\'',而為了表示略過字元,則必須使用 '\\'

如果要表示一串字元,也就是字串的話,Java 中使用雙引號來包裹,像是 "codedata""程式" 就表示字串,當然,如果字串中必須表示雙引號,也必須使用略過字元,像是 "\"Code\" & \"Data\""。

Java 中的字串不可變(Immutable),你無法改變已建立的字串內容,字串是 String 類別的實例,因此可以使用 String 類別上定義的各個方法,像是以 length 方法得知字串中的字元個數,使用 contains 得知字串是否包括某個子字串,使用 substring 來進行字串切割等,要進行字串的串接,可以直接使用 +

import static java.lang.System.out;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "codedata";

        out.println(name.length());          // 8
        out.println(name.contains("coded")); // true
        out.println(name.charAt(3));         // e
        out.println(name.substring(2, 5));   // ded
        out.println(name + name);            // codedatacodedata

        char[] characters = name.toCharArray();
        for(char ch : characters) {
            out.printf("%c ", ch);  // c o d e d a t a
        }
    }
}

在 Java 中,只有陣列與具有 Iterable 行為的物件,才能運用 for-each 語法,因而範例中使用 toCharArray 取得字元陣列,再透過 for-each 語法逐一取得陣列中的字元並顯示。System.outprintf 方法可以進行字串格式化再輸出,%c 佔位符號表示這邊將會有個字元。String 有個 static 方法 format,也可以進行字串格式化,傳回新的字串。例如:

String desc = String.format("(%d %.2f %s)", 1, 99.3, "codedata");
System.out.println(desc); // (1 99.30 codedata)

格式化字串時所需要的語法,可以參考 Format String syntax

談到這邊該注意的是,Java 中若要比較兩個基本型態,可以使用 ==,然而要比較兩個物件的狀態是否相同,則需透過物件上定義的 equals 方法。例如:

import static java.lang.System.out;

public class Welcome {
    public static void main(String[] args) {
        if(args[0].equals("codedata")) {
	           out.println("Hi, Admin!");
        } else {
	           out.printf("Welcome, %s%n", args[0]);
        }
    }
}

以下是這個程式原本想要的情況:

java-tutorial-the-2nd-class-1-3

然而,如果將程式中 if(args[0].equals("codedata")) 改為 if(args[0] == "codedata"),結果就會是如下,再也看不到親切的站長問候:

java-tutorial-the-2nd-class-1-4

其實,== 的本質上其實並沒有改變,它還是僅比較兩邊的值,如果 == 兩邊是基本型態,比較兩邊值是否相等,如果 == 兩邊是物件,也是比較兩邊值是否相等,只不過這個值不是指物件的狀態,而是指參考(Reference)

本來嘛!要比較兩個物件的狀態,該怎麼比,本來就該定義,Java 中就是使用 equals 方法來定義,只不過 Java 中使用 == 比較物件時,不會像有的程式語言會自動去呼叫 equals 方法,在 Java 中,得明確地呼叫 equals 來比較物件狀態

有關物件相等性更多的說明,可以參考本站 物件相等性(上)的文章,至於容器型態及 ifforwhile 等流程語法,會在下篇文章中說明。

後續 >> Java Tutorial 第二堂(2)容器與流程語法

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張瑞明05/16

好感動,第一次看不懂,今天終於看懂了。

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