Java 基础数据类型与运算符深度剖析

目录

一、Java 数据类型概述

二、基本数据类型详解

1. 整数类型

2. 浮点类型

3. 字符类型

4. 布尔类型

三、类型转换与溢出

1. 自动类型转换

2. 强制类型转换

3. 溢出处理

四、运算符详解

1. 算术运算符

2. 位运算符

3. 逻辑运算符

4. 赋值运算符

5. 比较运算符

6. 三目运算符

五、运算符优先级与结合性

六、包装类与自动装箱 / 拆箱

七、常见问题与解决办法

1. 浮点数精度问题

2. 整数溢出问题

八、总结

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一、Java 数据类型概述

在 Java 编程里，数据类型是构建程序的基石。Java 的数据类型主要分为基本数据类型和引用数据类型。基本数据类型直接存储数据值，而引用数据类型存储的是对象在内存中的地址。

类别	具体类型	存储大小	默认值	取值范围
整数型	byte	1 字节	0	-128 到 127
	short	2 字节	0	-32768 到 32767
	int	4 字节	0	-2147483648 到 2147483647
	long	8 字节	0L	-9223372036854775808 到 9223372036854775807
浮点型	float	4 字节	0.0f	±3.40282347E+38F（6 - 7 位有效数字）
	double	8 字节	0.0d	±1.79769313486231570E+308（15 - 17 位有效数字）
字符型	char	2 字节	'\u0000'	0 到 65535（Unicode 编码）
布尔型	boolean	1 位（实际因 JVM 而异）	false	true 或 false

二、基本数据类型详解

1. 整数类型

整数类型用于存储整数值，不同的整数类型在存储大小和取值范围上有所不同。

public class IntegerTypeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // byte 类型
        byte byteValue = 100;
        System.out.println("byte 值: " + byteValue);

        // short 类型
        short shortValue = 30000;
        System.out.println("short 值: " + shortValue);

        // int 类型
        int intValue = 2147483647;
        System.out.println("int 值: " + intValue);

        // long 类型，需加 L 后缀
        long longValue = 9223372036854775807L;
        System.out.println("long 值: " + longValue);
    }
}

2. 浮点类型

浮点类型用于存储小数，float 和 double 的精度和存储大小不同。

public class FloatingTypeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // float 类型，需加 f 后缀
        float floatValue = 3.14f;
        System.out.println("float 值: " + floatValue);

        // double 类型
        double doubleValue = 3.1415926;
        System.out.println("double 值: " + doubleValue);
    }
}

3. 字符类型

字符类型 char 用于存储单个字符，采用 Unicode 编码。

public class CharTypeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 直接存储字符
        char charValue1 = 'A';
        System.out.println("char 值 1: " + charValue1);

        // 使用 Unicode 转义序列
        char charValue2 = '\u0041';
        System.out.println("char 值 2: " + charValue2);
    }
}

4. 布尔类型

布尔类型只有两个值：true 和 false，常用于条件判断。

public class BooleanTypeExample {
    public static void main(String[] args) {
        boolean isTrue = true;
        boolean isFalse = false;
        System.out.println("isTrue: " + isTrue);
        System.out.println("isFalse: " + isFalse);
    }
}

三、类型转换与溢出

在 Java 中，不同数据类型之间可以进行转换，同时要注意可能出现的溢出问题。

1. 自动类型转换

当把一个小范围的数据类型赋值给大范围的数据类型时，会发生自动类型转换。自动类型转换是安全的，不会造成数据丢失。

public class AutomaticTypeConversionExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 从 byte 到 int 的自动转换
        byte byteValue = 10;
        int intFromByte = byteValue; 
        System.out.println("从 byte 自动转换为 int 的值: " + intFromByte);

        // 从 short 到 long 的自动转换
        short shortValue = 1000;
        long longFromShort = shortValue; 
        System.out.println("从 short 自动转换为 long 的值: " + longFromShort);

        // 从 int 到 double 的自动转换
        int intValue = 20;
        double doubleFromInt = intValue; 
        System.out.println("从 int 自动转换为 double 的值: " + doubleFromInt);

        // 从 float 到 double 的自动转换
        float floatValue = 3.14f;
        double doubleFromFloat = floatValue; 
        System.out.println("从 float 自动转换为 double 的值: " + doubleFromFloat);
    }
}

2. 强制类型转换

当把一个大范围的数据类型赋值给小范围的数据类型时，需要进行强制类型转换。强制类型转换可能会导致数据丢失或溢出。

public class ForcedTypeConversionExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 从 int 到 byte 的强制转换
        int intValue = 130;
        byte byteFromInt = (byte) intValue; 
        System.out.println("从 int 强制转换为 byte 的值: " + byteFromInt);

        // 从 double 到 float 的强制转换
        double doubleValue = 3.1415926;
        float floatFromDouble = (float) doubleValue; 
        System.out.println("从 double 强制转换为 float 的值: " + floatFromDouble);

        // 从 long 到 int 的强制转换
        long longValue = 2147483648L;
        int intFromLong = (int) longValue; 
        System.out.println("从 long 强制转换为 int 的值: " + intFromLong);
    }
}

3. 溢出处理

在进行整数运算时，可能会出现溢出情况，可以使用 Math 类的方法进行检查。

import java.math.BigInteger;

public class OverflowHandlingExample {
    public static void main(String[] args) {
        int maxInt = Integer.MAX_VALUE;
        try {
            int result = Math.addExact(maxInt, 1);
        } catch (ArithmeticException e) {
            System.out.println("发生溢出: " + e.getMessage());
        }
    }
}

四、运算符详解

1. 算术运算符

算术运算符用于执行基本的数学运算。

public class ArithmeticOperatorsExample {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = 3;
        System.out.println("加法: " + (a + b));
        System.out.println("减法: " + (a - b));
        System.out.println("乘法: " + (a * b));
        System.out.println("除法: " + (a / b));
        System.out.println("取余: " + (a % b));
        System.out.println("自增: " + (++a));
        System.out.println("自减: " + (--b));
    }
}

2. 位运算符

位运算符用于对二进制位进行操作。

public class BitwiseOperatorsExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num1 = 5; // 二进制: 0101
        int num2 = 3; // 二进制: 0011
        System.out.println("按位与: " + (num1 & num2));
        System.out.println("按位或: " + (num1 | num2));
        System.out.println("按位异或: " + (num1 ^ num2));
        System.out.println("按位取反: " + (~num1));
        System.out.println("左移: " + (num1 << 1));
        System.out.println("右移: " + (num1 >> 1));
        System.out.println("无符号右移: " + (num1 >>> 1));
    }
}

3. 逻辑运算符

逻辑运算符用于布尔值的逻辑运算。

public class LogicalOperatorsExample {
    public static void main(String[] args) {
        boolean bool1 = true;
        boolean bool2 = false;
        System.out.println("逻辑与: " + (bool1 && bool2));
        System.out.println("逻辑或: " + (bool1 || bool2));
        System.out.println("逻辑非: " + (!bool1));
    }
}

4. 赋值运算符

赋值运算符用于给变量赋值。

public class AssignmentOperatorsExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num = 10;
        num += 5; // 等价于 num = num + 5
        System.out.println("num += 5 后的值: " + num);
        num -= 3; // 等价于 num = num - 3
        System.out.println("num -= 3 后的值: " + num);
        num *= 2; // 等价于 num = num * 2
        System.out.println("num *= 2 后的值: " + num);
        num /= 4; // 等价于 num = num / 4
        System.out.println("num /= 4 后的值: " + num);
        num %= 3; // 等价于 num = num % 3
        System.out.println("num %= 3 后的值: " + num);
    }
}

5. 比较运算符

比较运算符用于比较两个值的大小关系，返回布尔值。

public class ComparisonOperatorsExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num1 = 10;
        int num2 = 20;
        System.out.println("等于: " + (num1 == num2));
        System.out.println("不等于: " + (num1 != num2));
        System.out.println("大于: " + (num1 > num2));
        System.out.println("小于: " + (num1 < num2));
        System.out.println("大于等于: " + (num1 >= num2));
        System.out.println("小于等于: " + (num1 <= num2));
    }
}

6. 三目运算符

三目运算符也称为条件运算符，它是 Java 中唯一的三元运算符。其语法结构为：条件表达式 ? 表达式1 : 表达式2。如果条件表达式的结果为 true，则返回表达式 1 的值；如果条件表达式的结果为 false，则返回表达式 2 的值。

public class TernaryOperatorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = 20;
        // 判断 a 是否小于 b，如果是则返回 a，否则返回 b
        int max = a < b ? a : b;
        System.out.println("a 和 b 中较小的值是: " + max);

        boolean isEven = a % 2 == 0 ? true : false;
        System.out.println("a 是否为偶数: " + isEven);
    }
}

五、运算符优先级与结合性

运算符优先级决定了表达式中运算符的执行顺序，结合性则决定了相同优先级运算符的执行方向。

public class OperatorPrecedenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        int result = 2 + 3 * 4; // 先乘后加
        System.out.println("2 + 3 * 4 的结果: " + result);
        result = (2 + 3) * 4; // 使用括号改变优先级
        System.out.println("(2 + 3) * 4 的结果: " + result);
    }
}

六、包装类与自动装箱 / 拆箱

Java 为每个基本数据类型都提供了对应的包装类，自动装箱和拆箱则实现了基本数据类型和包装类之间的自动转换。

public class WrapperClassExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 自动装箱
        Integer integerValue = 10;
        System.out.println("自动装箱后的 Integer 值: " + integerValue);

        // 自动拆箱
        int intValue = integerValue;
        System.out.println("自动拆箱后的 int 值: " + intValue);
    }
}

七、常见问题与解决办法

1. 浮点数精度问题

浮点数在计算机中以二进制形式存储，可能会出现精度丢失的问题，可使用 BigDecimal 解决。

import java.math.BigDecimal;

public class FloatingPointPrecision {
    public static void main(String[] args) {
        double num1 = 0.1;
        double num2 = 0.2;
        System.out.println("普通加法: " + (num1 + num2));

        BigDecimal bd1 = new BigDecimal("0.1");
        BigDecimal bd2 = new BigDecimal("0.2");
        System.out.println("使用 BigDecimal 加法: " + bd1.add(bd2));
    }
}

2. 整数溢出问题

在进行大整数运算时，可能会出现溢出，可使用 long 类型或 BigInteger 类。

import java.math.BigInteger;

public class IntegerOverflow {
    public static void main(String[] args) {
        int intMax = Integer.MAX_VALUE;
        // 溢出示例
        int overflowResult = intMax + 1;
        System.out.println("溢出结果: " + overflowResult);

        // 使用 long 类型
        long longResult = (long) intMax + 1;
        System.out.println("使用 long 类型结果: " + longResult);

        // 使用 BigInteger 类
        BigInteger bigInt1 = BigInteger.valueOf(intMax);
        BigInteger bigInt2 = BigInteger.ONE;
        BigInteger bigResult = bigInt1.add(bigInt2);
        System.out.println("使用 BigInteger 结果: " + bigResult);
    }
}

八、总结

本文对 Java 的基础数据类型和运算符进行了全面且详细的介绍，涵盖了基本数据类型的特点、类型转换规则、各种运算符的使用方法、运算符优先级以及常见问题的解决办法。掌握这些基础知识对于编写高效、稳定的 Java 程序至关重要。在实际编程中，要根据具体需求合理选择数据类型和运算符，同时注意避免常见的陷阱，如浮点数精度问题和整数溢出问题。希望通过本文的学习，你能对 Java 的基础数据类型和运算符有更深入的理解。