ADT and OOP（1）

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内容列表：

1.编程语言中的数据类型（Data type in programming languages）

2.静态与动态数据类型（Static vs. dynamic data types）

3.类型检查（Type checking）

4.可变性与不可变性（Mutability & Immutability）

5.快照图（Snapshot diagram）

6.复杂数据类型：数组和集合（Complex data types: Arrays and Collections）

7.有用的不变类（Useful immutable types）

8.空引用（Null references）

本课目的：

1.了解数据类型和静态的基本知识，编程语言中的动态类型检查

2.理解可变和可变对象

3.识别别名并了解可变性的危险性

4.使用不可变性来提高正确性、清晰度和易变性

5.使用快照图来演示特定时间的状态在程序执行过程中。

6.使用数组和集合处理复杂数据类型

7.了解空引用的危害并避免它

1·编程语言中的数据类型

（Data type in programming languages）

类型与变量

类型是一组值，以及可以在这些值上执行的操作。

例:
– boolean:  (true or false).
– int: (0, 1, -47).
– double:  (3.14, 1.0, -2.1).
– String: (“hello”, “example”).

变量：存储一个特定类型的值的命名位置

例：

int a；

Java中的数据类型

Java的数据类型有两种，分为基本数据类型（primitive types）及对象数据类型（object types）。例：

基本数据类型（primitive types）：int ，float，boolean等

对象数据类型（object types）    ：String ，Integer ，BigInteger等

注：根据java的公约，原始类型以小写字母开始，而对象类型以大写字母开始。

基本数据类型都是不可变的（Immutable），而对象数据类型一些是可变的（mutable），一些则不可变。基本数据类型存储在栈（Stack）中，而对象数据类型存储在堆（heap）中，由Java的垃圾收集机制管理（garbage collector）。基本数据类型通常不能实现一些复杂的表述，而对象数据类型则可以以泛型的形式表示一些复杂概念。基本数据类型一般来时花费很小，而对象数据类型花费较大。

对象类型层次结构（Hierarchy of object types）

根是对象（所有非原语都是对象）

除对象以外的所有类都有一个父类，用扩展子句指定

例：

　　class Guitar extends Instrument { ... }

1.如果扩展子句省略，则默认为对象

2.类是其所有超类的实例。

2.1从其超类继承可见字段和方法

2.2可以重写方法来改变他们的行为

Boxed primitives(基本数据类型的包装类)

对象数据类型里还有一种由基本数据类型的封装的包装数据类（Boxed primitive），例如 Boolean ， Integer，Short，Long，Float。主要是在Collection中使用。一般不要主动去使用包装类，因为这样做的效率低，代价很高。需要编译器做出自动转换。

例：

List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
list.add(1) ;
List.add(50);
1和50不是对象，但编译器能够通过，后台自动转换，但是会降低效率

相当于：

list.add(Integer.valueOf(1));
list.add(Integer.valueOf(50));

运算符（Operators）

运算符：执行简单计算的符号（+，-，/，*，=）

运算顺序：括号优先，乘除优先

例：

String text = "hello" + " world";

text = text + " number " + 5;

// text = "hello world number 5”

运算（Operations）

运算是输入和产生输出的函数（有时也会改变值本身）。

作为中缀、前缀或后缀运算符。　　例如，a+b调用操作+: int×int -int。

作为对象的方法。　　　例如，bigIt1.add（bigIt2）调用操作add: BigTimeXBigToige:BigToCipe。

作为一个函数。　　例如，Math.Sin（θ）调用Sin操作：double → double
在这里，Math不是一个对象而是包含正弦函数的类

Overloading operators/operations  重载运算符和操作

？？？、

2.静态与动态数据类型

（Static vs. dynamic data types）

3.类型检查

　　（Type checking）

静态类型检查（Static checking）与动态类型检查（Dynamic checking）

语言可以提供的三种自动检查：

1、静态类型检查（Static checking）：bug在程序运行之前自动的被找到，在编译时检查bug。可在编译阶段发现错误，避免了将错误带入到运行阶段，可提高程序正确性/健壮性

2、动态类型检查（Dynamic checking）：bug在程序执行时被发现

3、无检查：自己亲自一个一个查吧

不用说，静态捕获一个bug比动态捕获它要好，动态捕捉它比不捕获它要好。

注：

静态检查范围：

语法错误，　   　比如额外的标点符号或假词。偶数
错误的名字，      比如Math.sine(2)（正确的名字是sin）
错误的参数数，   比如Math.sin(30, 20）
错误的参数类型，比如Math.sin("30")
错误返回类型，   如声明返回 int，最终返回“30”；

动态检查范围：

非法参数值。例如，当Y实际上为0时，整数表达式X/Y仅是错误的；否则它工作。因此，在这个表达式中，除以零不是静态错误，而是动态错误
不可代表的返回值，即当特定返回值不能在类型中表示时。
超出范围索引，例如，在字符串上使用负的或太大的索引。
调用空对象引用的方法。

静态检查vs动态检查：

静态检查：关于“类型”的检查，不考虑值

因此，如果误差只由某些值引起，例如除以零或索引超出范围，编译器不会对其产生静态错误。

动态检查：关于“值”的检查

特殊情况

一些本应该被动态检查的错误没有被检查。
1.整数除法：  5/2不返回一个分数，它返回截断的整数。
2.整数溢出。如果计算结果过于积极或太消极，无法适应有限的范围，它会悄悄地溢出并返回错误的答案（没有静态/动态检查）。例如，int＝200000×200000；
3.浮点类型中的特殊值。NaN (“Not a Number”)，正无穷大，负无穷大。例如， double a ＝ 7/0；

 不匹配类型（Mismatched Types）

Java会直接对不匹配类型报错

例： String five = 5; // ERROR!

Conversion by casting 类型转换

例：

int a = 2; 　　　　　　　　// a = 2
double a = 2;　　　　　　 // a = 2.0 (Implicit)
int a = 18.7;　　　　　　   // ERROR
int a = (int)18.7; 　　　　  // a = 18
double a = 2/3;　　　　    // a = 0.0
double a = (double)2/3;     // a = 0.6666…

4.可变性与不可变性

（Mutability & Immutability）

前言

    （1） 改变一个变量、改变一个变量的值，二者有何区别？ 

        改变一个变量：将该变量指向另一个值的存储空间。

        改变一个变量的值：将该变量当前指向的值的存储空间中写入一个新的值。

    （2）“Change is a necessary evil.”变化是“罪恶”，但程序不能没有变化，

         要尽量避免变化，来避免程序中的副作用

    （3） 下面介绍java数据类型的Mutability与Immutability。

不变性（Immutability）

    （1）不变性是一个重要的设计原则

    （2）不变数据类型：一旦被创建，其值不能改变。

    （3）如果是引用类型，也可以是不变的：一旦确定其指向的对象，就不能再被改变

            我们可以使用final关键字来实现这一点：

            a.    如果编译器无法确定final变量不会改变，就提示错误，这也是静态类型检查的一部分。

            b.    所以，尽量使用 final变量作为方法的输入参数、作为局部变量。 

            c.    final表明了程序员的一种“设计决策”。

            需要注意的点：

                - final类无法派生子类

                - final类无法改变值/引用

                - final方法无法被子类重写

不变性与可变性

满足不变性的对象：一旦被创建，始终指向同一个值/引用 

满足可变性的对象：拥有方法可以修改自己的值/引用

 例：

　　String与StringBuilder

        a.    String即为一个不可变的数据类型，一但创建，其值无法更改。

        b.    为了在一个String后面添加字符，需要新建一个String对象。

            例如：concat方法执行过程：

        c.    而StringBuilder是一个可变类型，其具有修改内部值的方法。

            例如：append方法执行过程：

         d.    其之间的差异在只有一个引用指向该值时，没有区别。

            然而，在多个引用的时候，差异就出现了。

            t并不能改变s指向的值，而tb是可以改变sb指向的值的。

（2） 可变数据类型的优点与潜在风险：

    优点：

    a.    使用 不可变类型，对其频繁修改会产生大量的临时拷贝(需要垃圾回收) ,而可变类型

        最少化拷贝以提高效率。

    b.     使用可变数据类型，可获得更好的性能，也适合于在多个模块之间共享数据。

    但可变类型潜在风险，而不可变类型更“安全”，在其他质量指标上表现更好。

    选取时，要进行折中，看你看中哪个质量指标。

风险举例：

    a.    传递可变类型值时：

    该函数超出了spec范畴，因为其改变了输入参数的值。且这种错误非常难以跟踪和发现。

    对于其他程序员来说，也难以理解。

    b.    返回可变类型值时：

    在这种情况中，使用的Date是mutable的，因此对其返回值进行更改会导致其对象的值发生变化。

    要避免这点，就应该使用java.time中的其他immutable的类，如：LocalDateTime与Instant

    或者在返回date类型时，进行防御性拷贝：

（3）防御性拷贝

    接上面的例子2，通过防御性拷贝，给客户端返回一个全新的Date对象，这样就避免了表

    示泄露，即避免了对原数据的修改。

    但是：大部分时候拷贝不会被客户端修改， 可能造成大量的内存浪费。

              如果使用不可变类型，则节省了频繁复制的代价。

（4）安全地使用可变类型：局部变量，不涉及共享，只有一个引用。

         如果有多个引用（别名），使用可变类型就非常不安全。

5.快照图（Snapshot diagram）

Snapshot Diagram是一种能表示程序运行时状态的图。使用绘Snapshot Diagram的方式对我们了解在运行时发生了什么是很有帮助的，尤其是在解决一些复杂的bug时。

Snapshot Diagram也对我们理解一些Java的概念有帮助，例如基本数据类型（primitive type）和对象数据类型（object type）、不可变值（immutable value）以及不可变引用（immutable reference）、指针混淆（pointer aliasing）等等。

Snapshot Diagram也更加直观的阐述的改变引用与改变值的内在实质。

--当为一个变量或者变量域赋值的时候，你其实是在改变变量指针的指向，你把变量指向了一个不同的值。

--当你改变一个可变值的时候，例如数组和list，你其实是在改变值里面的引用。

怎么画出Snapshot Diagram

对于基本数据类型，直接使用箭头指向就好了。

对于对象数据类型，需要在外面有一个边界

对于不可变对象，则是一个双层的边界。并且要注意改变不可变对象的方式是改变指向。

 可变对象

对于基本数据类型的不可变引用（使用了final关键字），使用双层的线段指向值，代表不能改变。

ADT and OOP（1）

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