Преобразование типов

Введение

Как уже говорилось, Java является строго типизированным языком, а это означает, что каждое выражение и каждая переменная имеет строго определенный тип уже на момент компиляции. Тип устанавливается на основе структуры применяемых выражений и типов литералов, переменных и методов, используемых в этих выражениях.

Например:

long a=3;
a = 5+'A'+a;
print("a="+Math.round(a/2F));

Рассмотрим, как в этом примере компилятор устанавливает тип каждого выражения и какие преобразования (conversion) типов необходимо осуществить при каждом действии.

• В первой строке литерал 3 имеет тип по умолчанию, то есть int. При присвоении этого значения переменной типа long необходимо провести преобразование.
• Во второй строке сначала производится сложение значений типа int и char. Второй аргумент будет преобразован так, чтобы операция проводилась с точностью в 32 бита. Второй оператор сложения опять потребует преобразования, так как наличие переменной a увеличивает точность до 64 бит.
• В третьей строке сначала будет выполнена операция деления, для чего значение long надо будет привести к типу float, так как второй операнд - дробный литерал. Результат будет передан в метод Math.round, который произведет математическое округление и вернет целочисленный результат типа int. Это значение необходимо преобразовать в текст, чтобы осуществить дальнейшую конкатенацию строк. Как будет показано ниже, эта операция проводится в два этапа - сначала простой тип приводится к объектному классу-"обертке" (в данном случае int к Integer ), а затем у полученного объекта вызывается метод toString(), что дает преобразование к строке.

Данный пример показывает, что даже простые строки могут содержать многочисленные преобразования, зачастую незаметные для разработчика. Часто бывают и такие случаи, когда программисту необходимо явно изменить тип некоторого выражения или переменной, например, чтобы воспользоваться подходящим методом или конструктором.

Вспомним уже рассмотренный пример:

int b=1;
byte c=(byte)-b;
int i=c;

Здесь во второй строке необходимо провести явное преобразование, чтобы присвоить значение типа int переменной типа byte. В третьей же строке обратное приведение производится автоматически, неявным для разработчика образом.

Рассмотрим сначала, какие переходы между различными типами можно осуществить.

Виды приведений

В Java предусмотрено семь видов приведений:

• тождественное (identity);
• расширение примитивного типа (widening primitive);
• сужение примитивного типа (narrowing primitive);
• расширение объектного типа (widening reference);
• сужение объектного типа (narrowing reference);
• преобразование к строке (String);
• запрещенные преобразования (forbidden).

Рассмотрим их по отдельности.

Тождественное преобразование

Самым простым является тождественное преобразование. В Java преобразование выражения любого типа к точно такому же типу всегда допустимо и успешно выполняется.

Зачем нужно тождественное приведение? Есть две причины для того, чтобы выделить такое преобразование в особый вид.

Во-первых, с теоретической точки зрения теперь можно утверждать, что любой тип в Java может участвовать в преобразовании, хотя бы в тождественном. Например, примитивный тип boolean нельзя привести ни к какому другому типу, кроме него самого.

Во-вторых, иногда в Java могут встречаться такие выражения, как длинный последовательный вызов методов:

print(getCity().getStreet().getHouse().getFlat().getRoom());

При исполнении такого выражения сначала вызывается первый метод getCity(). Можно предположить, что возвращаемым значением будет объект класса City. У этого объекта далее будет вызван следующий метод getStreet(). Чтобы узнать, значение какого типа он вернет, необходимо посмотреть описание класса City. У этого значения будет вызван следующий метод ( getHouse() ), и так далее. Чтобы узнать результирующий тип всего выражения, необходимо просмотреть описание каждого метода и класса.

Компилятор без труда справится с такой задачей, однако разработчику будет нелегко проследить всю цепочку. В этом случае можно воспользоваться тождественным преобразованием, выполнив приведение к точно такому же типу. Это ничего не изменит в структуре программы, но значительно облегчит чтение кода:

print((MyFlatImpl)(getCity().getStreet().getHouse().getFlat().getRoom()));

Преобразование примитивных типов (расширение и сужение)

Очевидно, что следующие четыре вида приведений легко представляются в виде таблицы 7.1.

Что все это означает? Начнем по порядку. Для простых типов расширение означает, что осуществляется переход от менее емкого типа к более емкому. Например, от типа byte (длина 1 байт) к типу int (длина 4 байта). Такие преобразования безопасны в том смысле, что новый тип всегда гарантированно вмещает в себя все данные, которые хранились в старом типе, и таким образом не происходит потери данных. Именно поэтому компилятор осуществляет его сам, незаметно для разработчика:

byte b=3;
int a=b;

В последней строке значение переменной b типа byte будет преобразовано к типу переменной a (то есть, int ) автоматически, никаких специальных действий для этого предпринимать не нужно.

Следующие 19 преобразований являются расширяющими:

• от byte к short, int, long, float, double
• от short к int, long, float, double
• от char к int, long, float, double
• от int к long, float, double
• от long к float, double
• от float к double

Обратите внимание, что нельзя провести преобразование к типу char от типов меньшей или равной длины ( byte, short ), или, наоборот, к short от char без потери данных. Это связано с тем, что char, в отличие от остальных целочисленных типов, является беззнаковым.

Тем не менее, следует помнить, что даже при расширении данные все-таки могут быть в особых случаях искажены. Они уже рассматривались в предыдущей лекции, это приведение значений int к типу float и приведение значений типа long к типу float или double. Хотя эти дробные типы вмещают гораздо большие числа, чем соответствующие целые, но у них меньше значащих разрядов.

Повторим этот пример:

long a=111111111111L;
float f = a;
a = (long) f;
print(a);

Результатом будет:

111111110656

Обратное преобразование - сужение - означает, что переход осуществляется от более емкого типа к менее емкому. При таком преобразовании есть риск потерять данные. Например, если число типа int было больше 127, то при приведении его к byte значения битов старше восьмого будут потеряны. В Java такое преобразование должно совершаться явным образом, т.е. программист в коде должен явно указать, что он намеревается осуществить такое преобразование и готов потерять данные.

Следующие преобразования являются сужающими:

• от byte к char
• от short к byte, char
• от char к byte, short
• от int к byte, short, char
• от long к byte, short, char, int
• от float к byte, short, char, int, long
• от double к byte, short, char, int, long, float

При сужении целочисленного типа к более узкому целочисленному все старшие биты, не попадающие в новый тип, просто отбрасываются. Не производится никакого округления или других действий для получения более корректного результата:

print((byte)383);
print((byte)384);
print((byte)-384);

Результатом будет:

127
-128
-128

Видно, что знаковый бит при сужении не оказал никакого влияния, так как был просто отброшен - результат приведения противоположных чисел (384 и -384) оказался одинаковым. Следовательно, может быть потеряно не только точное абсолютное значение, но и знак величины.

Это верно и для типа char:

char c=40000;
print((short)c);

Результатом будет:

-25536

Сужение дробного типа до целочисленного является более сложной процедурой. Она проводится в два этапа.

На первом шаге дробное значение преобразуется в long, если целевым типом является long, или в int - в противном случае (целевой тип byte, short, char или int ). Для этого исходное дробное число сначала математически округляется в сторону нуля, то есть дробная часть просто отбрасывается.

Например, число 3,84 будет округлено до 3, а -3,84 превратится в -3. При этом могут возникнуть особые случаи:

• если исходное дробное значение является NaN, то результатом первого шага будет 0 выбранного типа (т.е. int или long );
• если исходное дробное значение является положительной или отрицательной бесконечностью, то результатом первого шага будет, соответственно, максимально или минимально возможное значение для выбранного типа (т.е. для int или long );
• наконец, если дробное значение было конечной величиной, но в результате округления получилось слишком большое по модулю число для выбранного типа (т.е. для int или long ), то, как и в предыдущем пункте, результатом первого шага будет, соответственно, максимально или минимально возможное значение этого типа. Если же результат округления укладывается в диапазон значений выбранного типа, то он и будет результатом первого шага.

На втором шаге производится дальнейшее сужение от выбранного целочисленного типа к целевому, если таковое требуется, то есть может иметь место дополнительное преобразование от int к byte, short или char.

Проиллюстрируем описанный алгоритм преобразованием от бесконечности ко всем целочисленным типам:

float fmin = Float.NEGATIVE_INFINITY;
float fmax = Float.POSITIVE_INFINITY;
print("long: " + (long)fmin + ".." + 
      (long)fmax);

print("int: " + (int)fmin + ".." + 
      (int)fmax);

print("short: " + (short)fmin + ".." + 
      (short)fmax);

print("char: " + (int)(char)fmin + ".." + 
      (int)(char)fmax);

print("byte: " + (byte)fmin + ".." + 
      (byte)fmax);

Результатом будет:

long: -9223372036854775808..9223372036854775807
int: -2147483648..2147483647
short: 0..-1
char: 0..65535
byte: 0..-1

Значения long и int вполне очевидны - дробные бесконечности преобразовались в, соответственно, минимально и максимально возможные значения этих типов. Результат для следующих трех типов ( short, char, byte ) есть, по сути, дальнейшее сужение значений, полученных для int, согласно второму шагу процедуры преобразования. А делается это, как было описано, просто за счет отбрасывания старших битов. Вспомним, что минимально возможное значение в битовом виде представляется как 1000..000 (всего 32 бита для int, то есть единица и 31 ноль). Максимально возможное - 1111..111 (31 единица). Отбрасывая старшие биты, получаем для отрицательной бесконечности результат 0, одинаковый для всех трех типов. Для положительной же бесконечности получаем результат, все биты которого равняются 1. Для знаковых типов byte и short такая комбинация рассматривается как -1, а для беззнакового char - как максимально возможное значение, то есть 65535.

Может сложиться впечатление, что для char приведение дает точное значение. Однако это был частный случай - отбрасывание битов в большинстве случаев все же дает искажение. Например, сужение дробного значения 2 миллиарда:

float f=2e9f;
print((int)(char)f);
print((int)(char)-f);

Результатом будет:

37888
27648

Обратите внимание на двойное приведение для значений типа char в двух последних примерах. Понятно, что преобразование от char к int не приводит к потере точности, но позволяет распечатывать не символ, а его числовой код, что более удобно для анализа.

В заключение еще раз обратим внимание на то, что примитивные значения типа boolean могут участвовать только в тождественных преобразованиях.