《编程导论（Java）·4.1数据抽象的含义》

You have no choice about the necessity to integrateyour observations,

your experiences, your knowledge into abstractideas, i.e., into principles.

——Ayn Rand, 《Philosophy: Who Needs It》 1974

数据抽象(Data abstraction)是将数据类型的抽象特征与其实现的具体细节清晰地分离。其中数据类型的“抽象特征”是指对用户代码而言可见的、如何使用该数据类型的接口。数据抽象是接口与实现分离原则在类型层面以及对象技术中的推广。

本章将介绍作为数据抽象的Java基本数据类型、抽象类、Java接口；重点讨论抽象类、接口的作用。下一章继续介绍数据抽象——作为抽象数据类型的线性表及其实现。

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4.1数据抽象的含义

内存中保存的数值被称为数据或操作数，对数据进行分类是为了方便程序员识别和操作它们。在[2.2.2 Java数据类型] 中，介绍了若干的概念：数据类型——定义一个值的集合以及处理这个值集的一组操作；Java语言的类型包括基本类型和程序员自定义的数据类型(引用类型)。

在[3.2.2 操作符]中，介绍了基本类型的各种操作；而在[2.4.1 引用的涵义]中列举了引用类型的7种操作。需要注意的是，上述所有的介绍均处于Java语言的层面[而非JVM层面]。或者说，一直讨论的是Java数据类型的抽象特征——接口。

4.1.1 基本类型的实现

基本类型的接口/抽象特征包括该类型的取值范围和适用操作符。这里以最常用的int和boolean为例，说明数据抽象的含义。

1. int类型的接口和实现
    【这里先介绍int使用的一些注意事项】整数类型int是对数学整数的模拟，int与数学整数的差别在于int不是无限的。int类型逻辑上拥有32位内存空间，按照[0.1.2 二进制补码]，int类型的最大值(补码)为(2³¹ -1)即2147483647或0x7FFF_FFFF，或二进制的0b01111111_11111111_11111111_11111111。当它加上1，就变成了0x8000_0000即最小值(-231即-2147483648)。通常把整型的计算形容为在时钟的钟面上运行。计算时超过最大值或最小值的情况，称为溢出(O verflow与underflow)，当使用大数字时，要小心溢出，因为没有任何人或异常机制帮助程序员防止这种程序错误的发生，它是一个沉默的杀手。可用如下代码验证：
    void doSth(){
        int x=0x7FFFFFFF;
        System.out.println( x + 1 );
    }
此外，int中什么值可以使i == -i呢？除了零之外，还有最小值0x8000_0000。因此if(i == -i)的语义不同于if(i == 0)。
对于int的操作，包括了大多数操作符，如算术、比较、位操作、赋值和一元操作的正负号、++、--等等。

    上述内容均为int的接口/抽象特征。作为int的用户，说int类型(逻辑上)拥有32位内存空间时，意味着用户知道了int的值域范围。事实上，JVM规范中规定了int的值域范围，但是并没有定义int类型的内存空间。用于储存int数据的内存空间，由JVM的不同实现者自由设定。

    通常，在JVM中使用字(word)作为数据值的基本尺寸单位。要求字的尺寸足够大，以保存byte, short, int, char, float, returnValue(Java程序员不可用的一种JVM数据类型，用于实现Java程序中的finally子句)和reference。而两个字足以装下long或double。一般情况下以主机平台的本地指针的尺寸为字的尺寸标准。如果机器和系统平台是32位的，int值和所有引用(reference) 都被分配了32位内存；如果机器和系统平台是64位的，int值可能被分配了64位空间。

通常int的用户并不关心int的实现，int的内存空间不管是32位还是64位，不得影响int的接口。即使系统用64位来保存int值，2147483647+1仍然会(也应该)表现为溢出(变成了最小值)。

练习4-1.：解释int类型的接口和实现的分离。

练习4-2.：编程typeSystem.primitive. IntDemo，验证溢出和i == -i。

 

2. boolean类型的接口和实现

    计算机会做的事情不过是算术操作和逻辑操作。因而布尔表达式在if-else语句、?:操作和循环语句中被广泛使用。关系操作符如5>2、x!=y等取值得到一个boolean值，布尔操作符如p && q进行逻辑运算。任何一个非0的整数值x，表达式x!=0的值为true；任何一个非null的引用ref，表达式ref!=null的值为true。

   当人们眉飞色舞地讨论Java的布尔表达式、boolean类型时，事实上讨论的是boolean接口。然而Java语言中如此重要和基础的boolean类型，并不实质性地存在。嗯，这个玩笑有点大，《JVM规范第2版》中有一节<3.3.4There Is No boolean Type>，事实上JVM定义了boolean类型，但是没有提供操作boolean的指令。《Java 虚拟机规范(Java SE 7 版)》的标题<2.3.4 boolean类型>更加严谨一些。

在JVM中，源代码的boolean类型的运算被实现为JVM的int类型运算。源代码的boolean[]类型，其元素的访问与修改使用JVM的byte类型数组的 baload 和 bastore 指令。简单地说，boolean类型的实现，JVM定义了boolean这种数据类型，如以"Z"或" [Z"分别表示boolean和boolean[]，也通过newarray 指令直接支持创建boolean[]。但是对boolean操作转换为int操作，1代表true、0代表false；而boolean[]视为byte数组操作，Sun的JVM实现将boolean[]元素作为8bit的值，其他JVM实现可能采用压缩形式，如一位。

int和boolean两个例子，反应了数据类型的抽象特征与其实现的具体细节的差异，这就是将数据接口与实现加以清晰地分离的数据抽象的意义所在。

练习4-3：解释boolean类型在Java语言层面、JVM规范层面和JVM实现层面的不同，并由此解释抽象的价值。

4.1.2 类的接口

对于引用类型，不需要如同基本类型那样涉及到JVM。源代码中没有对象，只有引用变量和引用值，关于对象的实现参考[7.4.3堆上的对象]。类的接口与实现在[第6章封装]中详述，这里仅概要地说明。

1. 类的API

Parnas原则/接口与实现分离指在模块或方法层面，用户程序员有意识地忽略方法的实现。而每一个方法具有自己的接口。对于一个类A的用户而言，A所定义的(方法)接口只有能够被访问时才值得关注。许多方法——典型的如private方法，仅仅被A自己使用，对外界而言，这些方法是否存在无关紧要也不得而知。因而在面向对象技术中，Parnas原则被推广到类层面。

类的接口指外界对象能够访问的、类所定义的接口的集合。通常，类中声明的public、protected域，也作为类接口的一部分。

由上面的定义可知，随着客户程序与本类的关系的不同，如在或不在一个包中、是或不是本类的子类，类的接口这一集合对客户类而言会有程度上的不同。使用访问修饰符限定类的接口，这一机制称为封装，在[第6章封装]中详细介绍。

类的接口常常称为该类的API，这是为了与Java中的接口类型相区别。一般而言private和package-private方法不是类的接口。

 

2. 类和类型

绝大多数情况下，可以视class为一种type。例如，在[2.2.2Java数据类型]中所给出的(数据)类型的概念，将类作为类类型。

在[2.1.1里氏替换原则]中介绍了子类(subclass)与子类型(subtype)的区别，那么，类(class)和类型(type) 又有什么差异呢？

差异表现在接口与实现的分离上。type是一个名称，它标识了类的接口。如果一个对象能够接受X类的接口的全部操作请求(方法调用)，则称对象具有X类型。正是因为Java的子类能够满足父类的接口(尽管可以改写)，所以子类的对象能够同时具有类层次中的多个类型。

类(class)则是接口和实现的综合体。类不仅仅定义了一种类型，也定义了对象的内部状态和方法的实现，以及不是接口的方法(如private方法)。简言之，类型是类的接口，类是类型+实现。

练习4-4.：一个对象可以有多个类型。这些类型构成了一个____，如同生物学分类。

练习4-5：不同类的对象可以具有相同的类型，这个共同的类型被称为____ 。

练习4-6：子类继承父类的接口。请讨论这一命题。

练习4-7.：解释类(class)和类型(type)的差异。