Java数据类型之细讲char类型与编码关系

一、开头

Java是一种强类型的语言，这意味着必须为每一个变量声明一种类型

Java中一共有8种基本数据类型（整形有4种，浮点型有2种，字符型1种，还有一种布尔类型）

由于Java程序必须保证在所有机器上都能得到相同的运行结果，所以各种数据类型的取值范围必须是固定的

二、整形

整形共有4种

• byte：一个字节
• short：2个字节
• int：4个字节（刚好超过二十亿）
• long int：8个字节

这里要注意的一些地方是

• 长整形数值有一个后缀L或者l
• 十六进制数值有一个前缀0x或者0X
• 八进制有一个前缀0（容易混淆，不推荐使用）
• 从Java7（JDK1.7）开始可以使用0b或者0B写二进制
• 从JAVA7开始，还可以为数字字面量加下划线，如使用1_000_000表示100W（Java编译器会去除这些下划线）

开头已经说了，各种数据类型的取值范围必须是固定的，所以4种整形的范围都为有符号位的范围，Java也因此没有Unsigned符号。

所以针对Unsigned的整形，基本数据类型的包装类有对应的API的

这里首先要认识的一点是，只要不溢出，加法、减法和乘法都能正常计算，但除法是会出问题的

三、Byte.toUnsignedInt

这个API的功能是针对Unsigned的Byte的转化成Unsigned

从源码上看，其实就是将其强制转换成int，相当于扩大了位数，然后通过与上0xff，0xff是十六进制，转化成二进制就是11111111，这个与运算的作用其实为了限制位数，因为byte是1个字节，顶多只有8位，超过8位的那些都不要，对于Unsigned来说，应该都为0.

四、Integer.divideUnsigned

这个API的功能是针对Unsigned的int类型除法的

可以看到，他的处理与Byte一样，都是转化成更高位的类型，这里转化成long，然后通过与运算舍弃后面多出来的位数（其实是改为0）

五、Integer.remainderUnsigned

这个是用来求余数的

可以看到同样也是转化成更高位去处理

六、Long.divideUnsigned

现在Long没有更高位了怎么办呢？

下面是源码

 public static long divideUnsigned(long dividend, long divisor) {
        //divisor是除数
        //而divident是被除数
        
        //首先判断除数是否为Unsigned（<0就代表为unsigned，只不过将符号位看成1，变为负数）
        if (divisor < 0L) { // signed comparison
            // Answer must be 0 or 1 depending on relative magnitude
            // of dividend and divisor.
            
            //可以看到这里的返回值只有0和1
            //这是因为除数为unsigned，根据整形的向下取整规则
            //得到的结果只能为1和0（dividend大于divisor就为1，小于就为0）
            //dividend不可能为divisor的两倍（因为位数不过）
            return (compareUnsigned(dividend, divisor)) < 0 ? 0L :1L;
        }

        //如果除数不是Unsigned，那么就判断被除数
        
        if (dividend > 0) //  Both inputs non-negative
            //如果被除数不是Unsigned，就直接除就好
            return dividend/divisor;
        else {
            /*
             * For simple code, leveraging BigInteger.  Longer and faster
             * code written directly in terms of operations on longs is
             * possible; see "Hacker's Delight" for divide and remainder
             * algorithms.
             */
             //如果是，那么就将除数和被除数换成更高位的BigInt型，去进行
           
            return toUnsignedBigInteger(dividend).
                divide(toUnsignedBigInteger(divisor)).longValue();
        }
    }

下面我们就来看看compareUnsigned方法

MIN_VALUE是代表长整形可以取的最小值，也就是 − 2 63 -2^{63} −263

可以看到，具体的过程就是让两个数减去最小值，然后进行比较

原理是，即使是Unsigned，只要减去了最小值，就不会超过有符号位的范围，然后通过比较减去后的大小，就可以判断除数和被除数谁大谁小，然后就返回0和1。

七、浮点型

浮点型有两种类型，一种为float，一种为double。

这里，我们认识一下精度损失

在两种浮点型，小数都是使用二进制表示的，比如 2 − 1 或 者 2 − 2 2^{-1}或者2^{-2} 2−1或者2−2，也就是0.5，0.125这些，也就是说，有一些小数是无法使用二进制表示的，只能通过后面的位数进行无限逼近，所以就会产生精度损失。

那什么是双精度和单精度呢？

这是根据double和float的位数来区分的，double为8字节，而float为4字节，所以double可以使用更多位数进行逼近，所以double会更加精确。

这里要注意的是，所有的浮点数计算都遵循IEEE754规范

对于表示溢出和出错情况，使用了三个特殊的浮点数值去表示

• 正无穷大
• 负无穷大
• NaN（不是一个数字）

八、字符型

char类型本来用来表示单个字符，但如今有些Unicode字符可以用一个char表示，也就是两个字节，但有时一些Unicode字符需要用多个字节表示，也就是使用多个char表示

char类型的值可以表示为十六进制值，从\u0000～\uffff。这里是\u充当了一个转义序列的功能，同时\u转义序列是可以出现在字符常量或字符串，所以使用注释和参数的时候，要注意一下

在Java中，char类型描述了UTF-16编码中的一个代码单元

九、Unicode

在认识UTF-16前，我们需要认识Unicode

Unicode其实相当于一本很厚的字典，里面储存了世界上所有语言的字符，使用Unicode码点唯一地对应一个字符。

Unicode是没有规定字符对应的二进制码占用的空间是多少，那么问题来了，以“汉”字为例，它的Unicode码点为0x6c49，对应的二进制为110110001001001，也就是15位二进制，也就说明了，这个字需要用2个字节去存储这个字，那么，对于其他字体，很有可能出现3个字节，或者更多的字节去存储，对于计算机来说，计算机怎么知道这两个字节表示的是一个字符，而不是与后面的字节形成一个字符?

所以，为了解决Unicode的这个问题，新的编码方式UTF-8、UTF-16和UTF-32就出现了

十、UTF-8

UTF其实是Unicode Transformation Format的缩写，即统一Unicode编码转换格式

UTF-8的特点就是可变长，即对于不同长度字节的字符有很好的兼容性

编码规则如下

对于单个字节的字符（也就是基本字符），也就是8位，会将第一位设为0，后面的七位会对应这个字符的Unicode码点，因此对于0～ 2 7 2^7 27号字符是完全可以的，甚至与ASCII（另一种编码方式，只不过不支持中文只有英文和符号）完全相同（这时候可能会有人说那么对于 2 8 至 2 7 2^8至2^7 28至27里面的字符呢？其实这一段被分在了使用2个字节表示）

对于需要使用N个字节来表示的字符(N>1)，第一个字节的前N位都设为1，第N+1位设为0（用来记录这个字符是用多少个字节来存储的，让计算机可以识别出），剩余后面的N-1个字节的前两位都要设置为10，剩下的二进制位则使用这个字符的Unicode码点来进行补充

0000 0800 ~ 0000 FFFF(注意这里位16位)1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx(对应码点16位)0001 0000 ~ 0010 FFFF(这里为18位)11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx（虽然超过码点位数，但不影响表示）

通过表格，可以看到UTF-8d的编码其实很简单，下面还是以"汉"为例，具体说一下如何进行UTF-8的编码和解码的

汉的编码为0x00006c49，对应在Unicode十六进制码点范围的第三行，所以对应的UTF-8二进制为 1110 x x x x 10 x x x x x x 10 x x x x x x 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 1110xxxx10xxxxxx10xxxxxx，然后将0x0006c49变为二进制为0x0110110001001001，然后填入到x里面即可（从第最后一位开始），结果为111001101011000110001001，然后再转换成十六进制为：0xE6 0xB7 0x89

解码的过程也十分简单：专为二进制之后，先判断多少个字节，如果第一个字节的第一位是0，则代表是只有1和字节，如果不是，就判断前面总共有多少个1就碰到0，多少个1就是多少个字节，通过知道多少个字节，就可以知道后面要读多少个字节来对应这个字符，只要去掉开头的10就行

十一、UTF-16

在认识UTF-16之前，先认识平面这个东西

前面提到过Unicode编码是一本很厚的字典，将全世界的字符都定义在这个集合里面，但这本字典不是一次性完成的，而是经过持续地收集才完成的，所以也就产生了分区，进行分区定义。每个区可以存放65536，也就是2^16字符，一个区就称为一个平面。目前Unicode一共有17（2 ^ 4+1）个平面（剩余16个为辅助平面），所以整个Unicodez字符集大小为 2 21 2^{21} 221

第一个平面，也就是第一个区，被称为基本平面，前 2 16 2^{16} 216个字符也就被成为基本字符，码点范围也就是从0~ 2 16 − 1 2^{16}-1 216−1，写成十六进制就是从U+0000到U+FFFF，最常见的字符大多都在这个区了。那么剩余的17个区，对应的码点就是从U+10000到U+10FFFF（刚好16倍），那么要如何解决确定字符与字节对应的问题呢？

基本平面有一个很巧妙的地方，在基本平面内，从U+D800到U+DFFF是一个空段，也就是再这个区间内的码点是没有对应任何字符的，因此UTF-16就利用了这个空段来做了一个映射辅助平面的码点（利用基本平面来储存辅助平面）

在辅助平面码点对应的字符总共有 2 20 2^{20} 220个，所以至少需要20个二进制位才可以完全对应辅助平面码点的字符。

UTF-16将这20个二进制位分成一半，前十位映射在U+D800到U+DBFF之间（称为高位），后10位映射在U+DC00到U+DFFF之间（成为低位），所以当遇到多个字节时，如果发现有码点位于这两个段区间，这就意味着这是辅助平面码点的映射，辅助平面字符被拆分成多个基本平面的码点表示。

据个栗子

汉字"?“的 Unicode 码点为 0x20BB7，该码点显然超出了基本平面的范围（0x0000 - 0xFFFF），因此需要使用四个字节表示。首先用 0x20BB7 - 0x10000 计算出超出的部分，然后将其用 20 个二进制位表示（不足前面补 0 ），结果为0001000010 1110110111。接着，将前 10 位映射到 U+D800 到 U+DBFF 之间，后 10 位映射到 U+DC00 到 U+DFFF 即可。U+D800 对应的二进制数为 1101100000000000，直接填充后面的 10 个二进制位即可，得到 1101100001000010，转成 16 进制数则为 0xD842。同理可得，低位为 0xDFB7。因此得出汉字”?"的 UTF-16 编码为 0xD842 0xDFB7

现在我们回到字符型里面的重点在Java中，char类型描述了UTF-16编码中的一个代码单元，可以知道char类型采用的是utf-16编码方式，代码单元其实指的就是U+D800～U+DBFF和U+DC00～U+DFFF这两个映射区（这里是两个个代码单元，一个char只能使用一个代码单元，不过通常一个代码单元能表示绝大多数的字符了，但也是因为这个原因，有些字符char不可以完整表示），通过这个代码单元，就可以进行解码获取Unicode编码了

十二、布尔类型

boolean类型有两个值，false和true，用来判断逻辑条件，整形值和布尔值之间是不能互换的。

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