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:

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:

Преобразование примитивных типов (расширение и сужение)

Очевидно, что следующие четыре вида приведений легко представляются в виде

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:

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:

Результатом будет:

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 23 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:

Результатом будет:

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:

Результатом будет:

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:

Результатом будет:

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:

Результатом будет:

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.

Преобразование ссылочных типов (расширение и сужение)

Переходим к ссылочным типам. Преобразование объектных типов лучше всего иллюстрируется с помощью дерева наследования. Рассмотрим небольшой пример наследования:

В каждом классе объявлено поле с уникальным именем. Будем рассматривать это поле как пример набора уникальных свойств, присущих некоторому объектному типу.

Три объявленных класса могут порождать три вида объектов. Объекты класса Parent обладают только одним полем x, а значит, только ссылки типа Parent могут ссылаться на такие объекты. Объекты класса Child обладают полем y и полем x, полученным по наследству от класса Parent. Стало быть, на такие объекты могут указывать ссылки типа Child или Parent. Второй случай уже иллюстрировался следующим примером:

Обратите внимание, что с помощью такой ссылки p можно обращаться лишь к полю x созданного объекта. Поле y недоступно, так как компилятор, проверяя корректность выражения p.y, не может предугадать, что ссылка p будет указывать на объект типа Child во время исполнения программы. Он анализирует лишь тип самой переменной, а она объявлена как Parent, но в этом классе нет поля y, что и вызовет ошибку компиляции.

Аналогично, объекты класса Child2 обладают полем z и полем x, полученным по наследству от класса Parent. Значит, на такие объекты могут указывать ссылки типа Child2 или Parent.

Таким образом, ссылки типа Parent могут указывать на объект любого из трех рассматриваемых типов, а ссылки типа Child и Child2 - только на объекты точно такого же типа. Теперь можно перейти к преобразованию ссылочных типов на основе такого дерева наследования.

Расширение означает переход от более конкретного типа к менее конкретному, т.е. переход от детей к родителям. В нашем примере преобразование от любого наследника ( Child, Child2 ) к родителю ( Parent ) есть расширение, переход к более общему типу. Подобно случаю с примитивными типами, этот переход производится самой JVM при необходимости и незаметен для разработчика, то есть не требует никаких дополнительных усилий, так как он всегда проходит успешно: всегда можно обращаться к объекту, порожденному от наследника, по типу его родителя.

В обеих строках переменным типа Parent присваивается значение другого типа, а значит, происходит преобразование. Поскольку это расширение, оно производится автоматически и всегда успешно.

Обратите внимание, что при подобном преобразовании с самим объектом ничего не происходит. Несмотря на то, что, например, поле y класса Child теперь недоступно, это не означает, что оно исчезло. Такое существенное изменение структуры объекта невозможно. Он был порожден от класса Child и сохраняет все его свойства. Изменился лишь тип ссылки, через которую идет обращение к объекту. Эту ситуацию можно условно сравнить с рассматриванием некоего предмета через подзорную трубу. Если перейти от трубы с большим увеличением к более слабой, то видимых деталей станет меньше, но сам предмет, конечно, никак от этого не изменится.

Следующие преобразования являются расширяющими:

• от класса A к классу B, если A наследуется от B (важным частным случаем является преобразование от любого ссылочного типа к Object );
• от null -типа к любому объектному типу.

Второй случай иллюстрируется следующим примером:

Пустая ссылка null не обладает каким-либо конкретным ссылочным типом, поэтому иногда говорят о специальном null -типе. Однако на практике важно, что такое значение можно прозрачно преобразовать к любому объектному типу.

С изучением остальных ссылочных типов (интерфейсов и массивов) этот список будет расширяться.

Обратный переход, то есть движение по дереву наследования вниз, к наследникам, является сужением. Например, для рассматриваемого случая, переход от ссылки типа Parent, которая может ссылаться на объекты трех классов, к ссылке типа Child, которая может ссылаться на объекты лишь одного из трех классов, очевидно, является сужением. Такой переход может оказаться невозможным. Если ссылка типа Parent ссылается на объект типа Parent или Child2, то переход к Child невозможен, ведь в обоих случаях объект не обладает полем y, которое объявлено в классе Child. Поэтому при сужении разработчику необходимо явным образом указывать на то, что необходимо попытаться провести такое преобразование. JVM во время исполнения проверит корректность перехода. Если он возможен, преобразование будет проведено. Если же нет - возникнет ошибка.

Чтобы проверить, возможен ли желаемый переход, можно воспользоваться оператором instanceof:

В данном примере ошибок не возникнет. Первое преобразование возможно, и оно будет осуществлено. Во втором и третьем случаях условия операторов if не сработают и попыток некорректного перехода не будет.

На данный момент можно назвать лишь одно сужающее преобразование:

• от класса A к классу B, если B наследуется от A (важным частным случаем является сужение типа Object до любого другого ссылочного типа).

С изучением остальных ссылочных типов (интерфейсов и массивов) этот список будет расширяться.