可变数据类型和不可变数据类型以及Snaphot图

序言

在上软件构造这门课时，在讲数据类型时引入了可变数据类型和不可变数据类型，这是以前未接触过的概念，以前自学Java时，仅有基本数据类型，和引用数据类型这两种概念；此外，老师还引入了Snaphot digrams，其用于描述程序运行时的内部状态，较为实用，今天“趁热打铁”，写博客记录一下。

先回顾一下Java的基本数据类型和引用数据类型。

基本数据类型

基本数据类型主要是我们最熟悉的几个变量类型：

byte、short、int、long,float,double,bool,char；

基本数据类型运算的规则：（不包含布尔类型）

1. 自动类型提升：当容量小的数据类型的变量与大的数据类型做运算时，结果自动提升为容量大的数据类型。

   byte、char、short（这三者做运算均转为int）->int->long->->float->double。

   容量大小指的是表示属的范围的大和小，比如float的容量大于long

2. 强制类型转换：需要使用强转符，可能导致精度损失

3. 整数型定义时，常量存储的类型为int型，若定义变量类型为long，或容量大于int型，且常量超过int型可表示的最大范围数，编译不通过，需要加l

4. 浮点型定义时，常量存储的类型为double类型，若定义变量类型为float，double类型向float转换，报错，常量后面需加f

整型常量：默认类型为int型； 浮点型常量：默认类型为double型。

public class Test{
	public static void main(String[] args){
		long a = 2147483647;        //编译可通过
   		long a = 2147483648;        //编译不通过，显示数过大
   	 	long a = 2147483648l;      //编译可通过
    	float f1 = 12.3;   //编译不通过，因为12.3默认为double型，需要12.3加f
   		byte b = 12;   //编译可通过
   	    byte b = b + 1;   //编译不通过，因为1被认为是int型
   	    float f1 = b + 12.3;  //编译不通过，因为12.3被认为是doble型
	System.out.println(a);
  }
}

引用数据类型

引用数据类型主要有：类（字符串）、接口、数组、枚举类等。其被称为引用数据类型的原因是：创建变量并赋值后，且不是直接存储的值，而是存储的是堆中创建值的地址，通过地址寻值，有点类似于C语言的指针。

举例String：

String不是基本数据类型，而是为引用数据类型,字符串。

String类型变量的使用:

String可以和8种基本数据类型做运算，只能做连接，用string类接收，运算结果仍然是String 。

二者区别对比：

类型	基本数据类型	引用数据类型
成员	byte、short、int、long,float,double,bool,char	类、接口、数组、枚举类
分配内存区域	在栈中分配内存	在堆中分配内存
是否与其他值可区分	只有值，没有ID，与其他值无法区分	既有ID，也有值
可变/不可变数据类型	全都为不可变数据类型	有些是可变的，有些是不可变的
赋值	传递的是值	传递的是地址

下面再谈谈上课所讲的可变和不可变数据类型。

不可变数据类型(Immutable types)

定义：一旦一个变量被创建且被赋初值，其值不能再改变。此外，如果如果是引用类型，也可以是不变的，即一旦确定其指向的对象，不能再被改变指向其他对象。

我们一般用final标识符，来说明这个变量的值不能再被改变。一旦一个变量被final修饰后并进行首次赋值后，编译器进行静态类型检查时，如判断 final 变量首次赋值后发生了改变，会提示错误。如图idea报错。

下面举一个不可变数据类型String的例子：

String str = "Hello";

此时创建了一个String类型的变量str，值为”Hello”，这里是一个局部变量，下图给出其在内存中的表示。

再执行了下面一条语句后，其变化：

str = str + "World";

可以看到，其并没有改变堆里地址为0x2233存储的原来的字符串值，而是在堆里新建一个对象，其值为“HelloWorld”，然后改变栈里str的存储值。

用Snaphot图表示变化：

不可变数据类型的优点：因为其值不能改变，不可变类型更“安全”，在其他质量指标上表现更好。其安全性会在下面与可变数据类型对比时体现出来。

缺点：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。就正如上面所举的例子：改变了str的值，但“Hello”的值仍然在堆中，就需要垃圾回收。

可变数据类型

定义:可以改变值，且拥有方法可以修改自己的值。

这里举一个可变数据类型StringBuilder的例子：

StringBuilder str1 = new StringBuilder("Hello");
str1.append("World");

这里选择直接用Snaphot图表示变化：

看到这里，可能就会产生疑惑：这里的StringBuilder和前面的String的结果不都一样吗？没有什么区别啊。但这个还需要我们深思一下。

如果是当只有一个引用指向该对象，二者没有区别。

但是注意：有多个引用的时候，差异就出现了！！！

给出上课老师举的例子：

可以看到，变量t和s都最开始都指向同一个值“ab”，但当t修改值变为“abc”时，仅仅改变了t的指向，指向“abc”，而并未更改原来的值，s的值不变仍为“ab”；

再看变量sb和tb二者最开始都指向同一个值“ab”，但当tb改变值为“abc”时，是在原有的值上直接修改，不同于之前String类型变量t，这样一来sb也并未改变值，但其由于指向的值的改变，导致sb的值变为“abc”；这就相当危险了，看上去是对一个变量值的修改，却也同时改变了另一个变量的值，很难让人察觉出这一变化，从而产生一些副影响。这里就体现了不可变数据类型的安全性所在！

但可变数据类型还是有优点的：首先就是，我们的程序需要值的变化，其必不可少。

可变类型最少化拷贝以提高效率，减少垃圾；其次，也适合于在多个模块之间共享数据，例如全局变量。

但是我们上面提到了可变数据类型的一些“危险”，那就讲一讲如何安全的使用可变类型：

局部变量，只有一个引用，不会涉及共享，不会有危险。

但如果有多个引用（别名），使用可变类型就非常不安全。

主要办法就是：防御性拷贝，给客户端返回一个全新的对象，是要返回值的拷贝，但是新建的，地址不同，避免直接返回，传递地址，致使产生多个引用。

Snophot Diagram

Snophot图十分常用，其主要用于描述程序运行时的内部变化，如在栈中和堆中的对象、变量等等。

其优点是：直观、简洁，便于程序员之间交流，便于刻画各类变量随时间发生的变化，便于解释思路。

下面讲一讲其表示规范。

基本类型的值

其用箭头指向一个常量表示变量对这个值的引用。如图所示：

对象类型的值

对象类型的值用一个按其类型标记的圆表示。

定义一个圆。

class Circle{
	int x;  //圆心横坐标
    int y;  //圆心纵坐标
    int r;  //圆的半径
}

如果要显示更多的细节时，可在这个圆里面写明成员变量名，用箭头指向它们的值。若想要更详细，可以标明其成员变量的类型。

不可变对象

其在对象类型的基础上改为双线椭圆。

如之前前面所举的例子。

可变对象

这个也较为简单，就是之前举的例子。

不可变的引用

这里不可变的引用是指，变量指不可变。其用双线箭头表示。

final int y =3;

如图所示：

同时我们还要注意：引用是不可变的，但指向的值却可以是可变的。比如说，定义了一个final StringBuilder sb，我们不能改变其指向，但其指向的值却是可改变的。

可变的引用，也可指向不可变的值，比如说，定义了一个String s，其指向一个存储在堆中不可变的值“Hello”，但我们可以改变s的指向，指向“Hello world”。

这就是关于Snophot的内容。

这些只是自己的一些浅薄的理解，若有问题，恳请批评指正。

参考资料

【1】软件构造课程PPT

【2】自学JAVA的笔记