四、运算符（2）

本章概要

关系运算符
- 测试对象等价
逻辑运算符
- 短路
字面值常量
- 下划线
- 指数计数法
位运算符

关系运算符

关系运算符会通过产生一个布尔（boolean）结果来表示操作数之间的关系。如果关系为真，则结果为 true，如果关系为假，则结果为 false。关系运算符包括小于 <，大于 >，小于或等于 <=，大于或等于 >=，等于 == 和不等于 ！=。== 和 != 可用于所有基本类型，但其他运算符不能用于基本类型 boolean，因为布尔值只能表示 true 或 false，所以比较它们之间的“大于”或“小于”没有意义。

测试对象等价

关系运算符 == 和 != 同样适用于所有对象之间的比较运算，但它们比较的内容却经常困扰 Java 的初学者。下面是代码示例：

// operators/Equivalence.java
public class Equivalence {
    public static void main(String[] args) {
        Integer n1 = 47;
        Integer n2 = 47;
        System.out.println(n1 == n2);
        System.out.println(n1 != n2);
    }
}

输出结果：

true
false

表达式 System.out.println(n1 == n2) 将会输出比较的结果。因为两个 Integer 对象相同，所以先输出 true，再输出 false。但是，尽管对象的内容一样，对象的引用却不一样。== 和 != 比较的是对象引用，所以输出实际上应该是先输出 false，再输出 true（译者注：如果你把 47 改成 128，那么打印的结果就是这样，因为 Integer 内部维护着一个 IntegerCache 的缓存，默认缓存范围是 [-128, 127]，所以 [-128, 127] 之间的值用 == 和 != 比较也能能到正确的结果，但是不推荐用关系运算符比较，具体见 JDK 中的 Integer 类源码）。

那么怎么比较两个对象的内容是否相同呢？你必须使用所有对象（不包括基本类型）中都存在的 equals() 方法，下面是如何使用 equals() 方法的示例：

// operators/EqualsMethod.java
public class EqualsMethod {
    public static void main(String[] args) {
        Integer n1 = 47;
        Integer n2 = 47;
        System.out.println(n1.equals(n2));
    }
}

输出结果:

true

上例的结果看起来是我们所期望的。但其实事情并非那么简单。下面我们来创建自己的类：

// operators/EqualsMethod2.java
// 默认的 equals() 方法没有比较内容
class Value {
    int i;
}

public class EqualsMethod2 {
    public static void main(String[] args) {
        Value v1 = new Value();
        Value v2 = new Value();
        v1.i = v2.i = 100;
        System.out.println(v1.equals(v2));
    }
}

输出结果:

false

上例的结果再次令人困惑：结果是 false。原因： equals() 的默认行为是比较对象的引用而非具体内容。因此，除非你在新类中覆写 equals() 方法，否则我们将获取不到想要的结果。不幸的是，在学习复用（Reuse）章节后我们才能接触到“覆写”（Override），并且直到集合主题，才能知道定义 equals() 方法的正确方式，但是现在明白 equals() 行为方式也可能为你节省一些时间。

大多数 Java 库类通过覆写 equals() 方法比较对象的内容而不是其引用。

逻辑运算符

每个逻辑运算符 && （AND）、||（OR）和 !（非）根据参数的逻辑关系生成布尔值 true 或 false。下面的代码示例使用了关系运算符和逻辑运算符：

// operators/Bool.java
// 关系运算符和逻辑运算符
import java.util.*;
public class Bool {
    public static void main(String[] args) {
        Random rand = new Random(47);
        int i = rand.nextInt(100);
        int j = rand.nextInt(100);
        System.out.println("i = " + i);
        System.out.println("j = " + j);
        System.out.println("i > j is " + (i > j));
        System.out.println("i < j is " + (i < j));
        System.out.println("i >= j is " + (i >= j));
        System.out.println("i <= j is " + (i <= j));
        System.out.println("i == j is " + (i == j));
        System.out.println("i != j is " + (i != j));
        // 将 int 作为布尔处理不是合法的 Java 写法
        //- System.out.println("i && j is " + (i && j));
        //- System.out.println("i || j is " + (i || j));
        //- System.out.println("!i is " + !i);
        System.out.println("(i < 10) && (j < 10) is " + ((i < 10) && (j < 10)) );
        System.out.println("(i < 10) || (j < 10) is " + ((i < 10) || (j < 10)) );
    }
}

输出结果：

在这里插入图片描述

在 Java 逻辑运算中，我们不能像 C/C++ 那样使用非布尔值，而仅能使用 AND、 OR、 NOT。上面的例子中，我们将使用非布尔值的表达式注释掉了（你可以看到表达式前面是 //-）。但是，后续的表达式使用关系比较生成布尔值，然后对结果使用了逻辑运算。请注意，如果在预期为 String 类型的位置使用 boolean 类型的值，则结果会自动转为适当的文本格式（即 “true” 或 “false” 字符串）。

我们可以将前一个程序中 int 的定义替换为除 boolean 之外的任何其他基本数据类型。但请注意，float 类型的数值比较非常严格，只要两个数字的最小位不同则两个数仍然不相等；只要数字最小位是大于 0 的，那么它就不等于 0。

短路

逻辑运算符支持一种称为“短路”（short-circuiting）的现象。整个表达式会在运算到可以明确结果时就停止并返回结果，这意味着该逻辑表达式的后半部分不会被执行到。代码示例：

// operators / ShortCircuit.java 
// 逻辑运算符的短路行为
public class ShortCircuit {

    static boolean test1(int val) {
        System.out.println("test1(" + val + ")");
        System.out.println("result: " + (val < 1));
        return val < 1;
    }

    static boolean test2(int val) {
        System.out.println("test2(" + val + ")");
        System.out.println("result: " + (val < 2));
        return val < 2;
    }

    static boolean test3(int val) {
        System.out.println("test3(" + val + ")");
        System.out.println("result: " + (val < 3));
        return val < 3;
    }

    public static void main(String[] args) {
        boolean b = test1(0) && test2(2) && test3(2);
        System.out.println("expression is " + b);
    }
}

输出结果：

在这里插入图片描述

每个测试都对参数执行比较并返回 true 或 false。同时控制台也会在方法执行时打印他们的执行状态。下面的表达式：

test1（0）&& test2（2）&& test3（2）

可能你的预期是程序会执行 3 个 test 方法并返回。我们来分析一下：第一个方法的结果返回 true，因此表达式会继续走下去。紧接着，第二个方法的返回结果是 false。这就代表这整个表达式的结果肯定为 false，所以就没有必要再判断剩下的表达式部分了。

所以，运用“短路”可以节省部分不必要的运算，从而提高程序潜在的性能。

注：关于“短路”的更多测试见：https://blog.csdn.net/GXL_1012/article/details/130119901

通常，当我们向程序中插入一个字面值常量（Literal）时，编译器会确切地识别它的类型。当类型不明确时，必须辅以字面值常量关联来帮助编译器识别。代码示例：

// operators/Literals.java
public class Literals {
    public static void main(String[] args) {
        int i1 = 0x2f; // 16进制 (小写)
        System.out.println("i1: " + Integer.toBinaryString(i1));
        int i2 = 0X2F; // 16进制 (大写)
        System.out.println("i2: " + Integer.toBinaryString(i2));
        int i3 = 0177; // 8进制 (前导0)
        System.out.println("i3: " + Integer.toBinaryString(i3));
        char c = 0xffff; // 最大 char 型16进制值
        System.out.println("c: " + Integer.toBinaryString(c));
        byte b = 0x7f; // 最大 byte 型16进制值  01111111;
        System.out.println("b: " + Integer.toBinaryString(b));
        short s = 0x7fff; // 最大 short 型16进制值
        System.out.println("s: " + Integer.toBinaryString(s));
        long n1 = 200L; // long 型后缀
        long n2 = 200l; // long 型后缀 (容易与数值1混淆)
        long n3 = 200;

        // Java 7 二进制字面值常量:
        byte blb = (byte) 0b00110101;
        System.out.println("blb: " + Integer.toBinaryString(blb));
        short bls = (short) 0B0010111110101111;
        System.out.println("bls: " + Integer.toBinaryString(bls));
        int bli = 0b00101111101011111010111110101111;
        System.out.println("bli: " + Integer.toBinaryString(bli));
        long bll = 0b00101111101011111010111110101111;
        System.out.println("bll: " + Long.toBinaryString(bll));
        float f1 = 1;
        float f2 = 1F; // float 型后缀
        float f3 = 1f; // float 型后缀
        double d1 = 1d; // double 型后缀
        double d2 = 1D; // double 型后缀
        // (long 型的字面值同样适用于十六进制和8进制 )
    }
}

输出结果:

在这里插入图片描述

在文本值的后面添加字符可以让编译器识别该文本值的类型。对于 Long 型数值，结尾使用大写 L 或小写 l 皆可（不推荐使用 l，因为容易与阿拉伯数值 1 混淆）。大写 F 或小写 f 表示 float 浮点数。大写 D 或小写 d 表示 double 双精度。

十六进制（以 16 为基数），适用于所有整型数据类型，由前导 0x 或 0X 表示，后跟 0-9 或 a-f （大写或小写）。如果我们在初始化某个类型的数值时，赋值超出其范围，那么编译器会报错（不管值的数字形式如何）。在上例的代码中，char、byte 和 short 的值已经是最大了。如果超过这些值，编译器将自动转型为 int，并且提示我们需要声明强制转换（强制转换将在本章后面定义），意味着我们已越过该类型的范围界限。

八进制（以 8 为基数）由 0~7 之间的数字和前导零 0 表示。

Java 7 引入了二进制的字面值常量，由前导 0b 或 0B 表示，它可以初始化所有的整数类型。

使用整型数值类型时，显示其二进制形式会很有用。在 Long 型和 Integer 型中这很容易实现，调用其静态的 toBinaryString() 方法即可。但是请注意，若将较小的类型传递给 Integer.toBinaryString() 时，类型将自动转换为 int。

字面值常量

下划线

Java 7 中有一个深思熟虑的补充：我们可以在数字字面量中包含下划线 _，以使结果更清晰。这对于大数值的分组特别有用。代码示例：

// operators/Underscores.java
public class Underscores {
    public static void main(String[] args) {
        double d = 341_435_936.445_667;
        System.out.println(d);
        int bin = 0b0010_1111_1010_1111_1010_1111_1010_1111;
        System.out.println(Integer.toBinaryString(bin));
        System.out.printf("%x%n", bin); // [1]
        long hex = 0x7f_e9_b7_aa;
        System.out.printf("%x%n", hex);
    }
}

输出结果:

3.41435936445667E8
101111101011111010111110101111
2fafafaf
7fe9b7aa

下面是合理使用的规则：

仅限单 _，不能多条相连。
数值开头和结尾不允许出现 _。
F、D 和 L的前后禁止出现 _。
二进制前导 b 和十六进制 x 前后禁止出现 _。

[1] 注意 %n的使用。熟悉 C 风格的程序员可能习惯于看到 \n 来表示换行符。问题在于它给你的是一个“Unix风格”的换行符。此外，如果我们使用的是 Windows，则必须指定 \r\n。这种差异的包袱应该由编程语言来解决。这就是 Java 用 %n 实现的可以忽略平台间差异而生成适当的换行符，但只有当你使用 System.out.printf() 或 System.out.format() 时。对于 System.out.println()，我们仍然必须使用 \n；如果你使用 %n，println() 只会输出 %n 而不是换行符。

指数计数法

指数总是采用一种我认为很不直观的记号方法:

// operators/Exponents.java
// "e" 表示 10 的几次幂
public class Exponents {
    public static void main(String[] args) {
        // 大写 E 和小写 e 的效果相同:
        float expFloat = 1.39e-43f;
        expFloat = 1.39E-43f;
        System.out.println(expFloat);
        double expDouble = 47e47d; // 'd' 是可选的
        double expDouble2 = 47e47; // 自动转换为 double
        System.out.println(expDouble);
    }
}

输出结果:

1.39E-43
4.7E48

在科学与工程学领域，e 代表自然对数的基数，约等于 2.718 （Java 里用一种更精确的 double 值 Math.E 来表示自然对数）。指数表达式 “1.39 x e-43”，意味着 “1.39 × 2.718 的 -43 次方”。然而，自 FORTRAN 语言发明后，人们自然而然地觉得e 代表 “10 的几次幂”。这种做法显得颇为古怪，因为 FORTRAN 最初是为科学与工程领域设计的。

理所当然，它的设计者应对这样的混淆概念持谨慎态度。但不管怎样，这种特别的表达方法在 C，C++ 以及现在的 Java 中顽固地保留下来了。所以倘若习惯 e 作为自然对数的基数使用，那么在 Java 中看到类似“1.39e-43f”这样的表达式时，请转换你的思维，从程序设计的角度思考它；它真正的含义是 “1.39 × 10 的 -43 次方”。

注意如果编译器能够正确地识别类型，就不必使用后缀字符。对于下述语句：

long n3 = 200;

它并不存在含糊不清的地方，所以 200 后面的 L 大可省去。然而，对于下述语句：

float f4 = 1e-43f; //10 的幂数

编译器通常会将指数作为 double 类型来处理，所以假若没有这个后缀字符 f，编译器就会报错，提示我们应该将 double 型转换成 float 型。

位运算符

位运算符允许我们操作一个整型数字中的单个二进制位。位运算符会对两个整数对应的位执行布尔代数，从而产生结果。

位运算源自 C 语言的底层操作。我们经常要直接操纵硬件，频繁设置硬件寄存器内的二进制位。Java 的设计初衷是电视机顶盒嵌入式开发，所以这种底层的操作仍被保留了下来。但是，你可能不会使用太多位运算。

若两个输入位都是 1，则按位“与运算符” & 运算后结果是 1，否则结果是 0。若两个输入位里至少有一个是 1，则按位“或运算符” | 运算后结果是 1；只有在两个输入位都是 0 的情况下，运算结果才是 0。若两个输入位的某一个是 1，另一个不是 1，那么按位“异或运算符” ^ 运算后结果才是 1。按位“非运算符” ~ 属于一元运算符；它只对一个自变量进行操作（其他所有运算符都是二元运算符）。按位非运算后结果与输入位相反。例如输入 0，则输出 1；输入 1，则输出 0。

位运算符和逻辑运算符都使用了同样的字符，只不过数量不同。位短，所以位运算符只有一个字符。位运算符可与等号 = 联合使用以接收结果及赋值：&=，|= 和 ^= 都是合法的（由于 ~ 是一元运算符，所以不可与 = 联合使用）。

我们将 Boolean 类型被视为“单位值”（one-bit value），所以它多少有些独特的地方。我们可以对 boolean 型变量执行与、或、异或运算，但不能执行非运算（大概是为了避免与逻辑“非”混淆）。对于布尔值，位运算符具有与逻辑运算符相同的效果，只是它们不会中途“短路”。此外，针对布尔值进行的位运算为我们新增了一个“异或”逻辑运算符，它并未包括在逻辑运算符的列表中。在移位表达式中，禁止使用布尔值，原因将在下面解释。