很清晰！带你图解 Java 程序的结构，变量和类型
这是蜗牛互联网的第 105 期原创。
作者 | 白色蜗牛
来源 | 蜗牛互联网（ID: woniu_internet）
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前言
上一篇文章 手写的第一个 Java 应用程序，执行的时候发生了什么，我们用 Java 做了实践编程，并简单了解了它运行的原理。但这些还只是表象和皮毛，Java 的知识博大而精深，需要慢慢深入理解和领会，蜗牛就带大家来啃这块硬骨头吧！
学习一门新知识，基础是最重要的。就像起一座大楼，地基打的够坚实，大楼才会更稳固。另一个角度讲，所有的复杂都是简单元素的加工和组合，百变不离其宗，基础就是这种简单元素。
所以，我们先来学习下 Java 最基础的部分！本篇文章聊聊 Java 程序的结构，变量以及数据类型。
Java 程序的结构
学习一个新东西，我建议先看它的结构，这样有了整体的认知之后，再去学习细节，就能更好的认识到每个细节点在整体中的位置和作用，可以更好的理解整体和局部之间的关系。
比如我们现在学的是 Java 程序语言设计，那它的表现形式就是 Java 代码。写一个能跑的 Java 程序，那就需要写个 class，class 里要有个 main 方法，这样就构成了一个完整的 Java 程序。
其实我们上篇提到的 HelloWorld 程序就是一个完整的 Java 程序，它由访问修饰符、类类型、类命名、main 方法、执行语句、花括号和注释这几个核心要素构成。
访问修饰符决定了被修饰对象的可访问范围，被修饰对象可以是类、变量和方法，访问范围的标识有 public、protected、缺省和 private。
类类型表明当前类的类型，有 class(普通类)、enum(枚举类)、interface(接口类)和 @interface(注解类)。
类名是当前类的标识，通过它来区别其它类。命名的时候一般大写字母开头，可以是字母数字下划线的组合，不过最规范的是大写字母开头的驼峰式命名。
main 方法是 Java 程序必备的一个东西，它是 Java 程序的执行入口，声明也是固定的。
执行语句就是我们要编写的程序逻辑了，每条语句都要用 ; (分号)结束。
花括号 {} 代表了当前内容的作用域，它总是成对出现。比如 HelloWorld 后边的 {} 里的内容，就只影响到当前这个 class，main(String[] args) 后边的 {} 里的内容，就只影响到当前这个 main 方法。
注释是对代码逻辑的解释，它不是写一个 Java 程序必备的，也不会被编译到字节码文件里。但在我的经验里，有它比没有它强，因为代码虽说是给机器执行的，但却是给人看的，好的代码注释，是能够提升代码的可读性和可维护性的。我这个例子里写的注释有类注释、方法注释、行注释和多行注释。
变量和数据类型
变量
HelloWorld 程序一般用来辅助我们判断自己环境有没有配置好，如果 HelloWorld 能运行，就说明我们 Java 环境是好的，就可以专心编程和调试了。
编程躲不开的一个概念就是变量。
什么是变量呢？顾名思义，就是变化的量，这个概念起源于初中数学的代数，比如方程式中的 x 和 y 都是变量，x 是自变量，y 是因变量，如果基于一定的规则，只要给定一个 x 的值，就一定能得到 y 的值。
y = x + 1
这就非常契合我们编程的场景了，给一个输入，跑一下程序，就能得到一个确定的输出。至于输出什么样的值，取决于这个程序要实现的功能以及给定输入的值。
我们回过头来看下刚才那个方程式 y=x+1 ，如果没有限定的话，x 其实可以是整数，也可以是小数，还可以是字符串。可是如果是个字符串，就无法按数学规则进行运算了。所以即便是方程式的场景，一般也会约定变量的一个类型，比如 x 是个整数。
同样的，反映到 Java 里，Java 是一种静态类型语言，这意味着每个变量和每个表达式在编译时就需要知道类型。如果我们想定义一个变量 x，就需要指定一下它的类型，以便能够通过编译以及进行后续的运算。
这也是 Java 变量的一个原则：先定义后使用，定义必须指定数据类型。
比如较小的整数可以用 byte num; 表示。变量也可以做赋值操作，比如 num = 10; 就把 10 这个整数赋值给了 num 这个变量。另外，变量也支持传递，比如 byte num2 = num; 就是把 num 的值传递给了 num2。
在计算机上，CPU 负责计算，内存负责存储待计算的数据。上图的方块你可以理解成一块内存，你会发现它是一块一块的，这就是内存的基本单位——byte(字节)。一个字节是 8 bit(位)，也就是一个字节能容纳二进制 00000000~11111111 所有的数字。
我们的程序也是字节维度使用内存，而内存空间是有限的，就需要有指标能衡量待存储的数据大小，以避免内存超限而引起程序崩溃。
因此，程序运行的时候，需要告诉内存，我要申请多大的内存空间，也就是图里面会用多少个小方块，其次是我存的值是什么，也就是图里面小方块里的值。我们的变量 num 就是申请了一个字节的空间，然后存了数字 10。
那么如果 num 要用的值超过了一个字节的限度，我们其实就无法使用 byte 这个数据类型了，就需要定义一种新的数据类型来支撑，好在 Java 已经帮我们做好了这件事！
类型的种类和值
那 Java 支持哪些数据类型呢？
在 Java 的世界里，有基本类型和引用类型两种。相应地，有两种数据值可以存储在变量中，作为参数传递，由方法返回，并对其进行操作: 原始值和引用值。
基本类型
我们先看下基本类型。
基本数据类型在 Java 里可分为布尔类型和数字类型两大类：
| 大类类型 | 细分类型 | 关键字 | 内存占用 | 取值范围 |
|---|---|---|---|---|
| 布尔类型 | 布尔类型 | boolean | 1 字节或 4 字节 | true 和 false |
| 数字类型 | 整型类型 | byte | 1 字节 | ~ |
| 数字类型 | 整型类型 | short | 2 字节 | ~ |
| 数字类型 | 整型类型 | int | 4 字节 | ~ |
| 数字类型 | 整型类型 | long | 8 字节 | ~ |
| 数字类型 | 整型类型 | char | 2 字节 | 0 ~ |
| 数字类型 | 浮点类型 | float | 4 字节 | ~ |
| 数字类型 | 浮点类型 | double | 8 字节 | ~ |
布尔类型表达是或者否，只有 true 和 flase 两个值，用关键字 boolean 表示，但 JVM 没有针对 boolean 的字节码指令，因此在虚拟机规范里，boolean 类型在编译后会被 int 代替，占用 4 个字节，如果是 boolean 数组，会被编译成 byte 数组类型，每个 boolean 数组元素占 1 个字节。实际情况就取决于各厂商发布的 JVM 实现了。
数字类型包括了整型类型和浮点类型。
整型类型根据取值范围的不同，细分成了 byte、short、int、long和 char五种，分别是 8 位、16 位、32 位、64 位有符号整数和 16 位无符号整数，分别占用一个字节、两个字节、四个字节、八个字节和两个字节的内存空间。
整型类型的值是以下范围的整数：
byte: -128 到 127，包括边界值short: -32768 到 32767，包括边界值int: -2147483648 到 2147483647，包括边界值long: -9223372036854775808 到 9223372036854775807，包括边界值char: '\u0000' 到 '\uffff'，包括边界值，也就是从 0 到 65535。char可表示标准的 ASCII 或一个 Unicode 字符。ASCII 字符集占据 Unicode 字符集中的前 127 个值。
浮点数指小数，科学计数法表示的时候，小数点是可以“浮动”的，所以称为浮点数。
浮点类型有 float 和 double 两种，其值分别为 32 位 IEEE 754 浮点数和 64 位 IEEE 754浮点数。
float 可选地以后缀 f或F 结尾，double 可选地以后缀 d或D 结尾。表格中的取值范围仅表示幅度，它可以是正也可以是负，负数场景在前面加个负号即可。
了解基本概念后，我们举个例子看下 Java 中如何使用吧！
package cn.java4u.codebase;
/**
* 基础类型变量
*
* @author 蜗牛
* @from 公众号：蜗牛互联网
*/
public class BaseVar {
/**
* 主函数
*
* @param args args
*/
public static void main(String[] args) {
/*
* 变量定义格式：
* 数据类型 变量名;
* 数据类型 变量名 = 变量值;
*/
/*
布尔类型
*/
// 布尔未赋值
boolean boolNoValue;
// 布尔赋值 true
boolean boolTrue = true;
// 布尔赋值一个计算结果
boolean boolWithResult = 2 > 1;
// 布尔赋值 非 true 或 false 会编译报错
// boolean boolCompileError = 123;
/*
整数类型
*/
// 字节赋值 8
byte byteDemo = 8;
// 赋值越界会编译报错
// byte byteOutOfBounds = 188;
// 短整型赋值 188
short shortDemo = 188;
// 整型赋值 38888
int intDemo = 38888;
// 整型赋值带下划线，提高辨识度
int intDemoWithUnderLine = 1888_888_888;
// 十六进制表示 16711680
int intDemoWithHex = 0xff0000;
// 二进制表示的512
int intDemoWithBinary = 0b1000000000;
// long型的结尾需要加 L
long longWithSuffix = 2147483649L;
/*
浮点数类型
浮点类型的数就是通常意义上的小数，因为小数用科学计数法表示的时候，小数点是可以“浮动”的，所以称为浮点数。
*/
// 单精度浮点数赋值，加 f 后缀
float floatDemo = 9.18f;
// 负的单精度浮点数
float floatNegDemo = -9.18f;
// 科学计数法表示的 3.14x10^38，float 类型可表示的最大数
float floatDemoWithSci = 3.14e38f;
// 科学计数法表示的1.79x10^308，double类型可表示的最大数
double doubleDemo = 1.79e308;
/*
字符类型
Java 的 字符类可表示标准的 ASCII 和一个 Unicode 字符。
*/
// char 用 ascii 字符赋值
char charWithAscii = '.';
// char 用 Unicode 字符赋值
char charWithUnicode = '牛';
// char 多字符会编译报错
// char charCompileError = '蜗牛';
}
}
看完示例代码，你应该能清楚变量定义的格式是 数据类型 变量名; 或者 数据类型 变量名 = 变量值; ，数据类型相当于锁定了这个变量的一个数据范围，等号是赋值符号，代表把等号右边的值赋给左边的变量，使得这个变量在后边的运算中就携带了这个值的信息。
Java 是强类型语言，所以如果等号右边给的值不在变量定义的数据类型范围内，就会编译报错，这也一定程度上避免了我们写错代码。
引用类型
上面提到的变量都是基本类型的，表达的都是非常基础的数值类的信息，那如果想表达更复杂的一些信息，那就要用到引用类型了。
比如最常用的 String 就是引用类型，常常用它来表示字符串。它底层其实就是一个 char[]，也就是 char 类型的数组。
引用类型相比于基本类型，它的核心差别在于，引用类型的变量它的内部存储的不是变量值，而是某个对象在内存中的地址。这个我们后边在介绍类相关概念的时候会深入探讨。
小结
本文从 HelloWorld 程序为例，介绍了 Java 程序的整体结构，帮助大家了解了一个完整的 Java 程序需要具备哪些要素。接着介绍了编程实践的时候躲不开的 Java 变量相关的知识，以及 Java 作为强类型语言，在 Java 规范里所涉及的类型。也通过示例代码的方式，帮助大家加深了认识。
我是蜗牛，大厂程序员，专注技术原创和个人成长，正在互联网上摸爬滚打。欢迎关注我，和蜗牛一起成长，我们一起牛~下期见！
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