[Java] 기본형

참고
자바의 정석
https://hhseong.tistory.com/125
https://velog.io/@suitepotato/00010
https://almost-native.tistory.com/337

논리형 - boolean

• 논리형에는 boolean 1가지 밖에 없다.
• boolean형 변수에는 true와 false 2가지가 존재하며, 기본 값은 false다.
• 대답 (yes / no), 스위치 (on / off)등의 논리구현에 주로 사용한다.
• 2가지 값만 표현하면 되서 1비트면 충분하지만, 자바에서 데이터를 다루는 최소단위가 byte이기 때문에, boolean 크기는 1byte다.

boolean power = true;
boolean checked = False; // 에러. 대소문자가 구분됨. true 또는 false만 가능

• 자바에서는 데소문자가 구별되기 때문에 TRUE와 true는 다른 것으로 간주된다.

문자형 - char

• 문자형에는 char 1가지 자료형 밖에 없다.
• 단 하나의 문자만 저장이 가능하다.
• 사실 문자가 저장이 되는 것이 아니라, 해당되는 문자의 유니코드가 저장이 된다.

char ch = 'A'; // 문자 'A' (사실은 유니코드)를 char타입의 변수 ch에 저장.

• 문자 대신에 유니코드가 저장이 되는 것은 컴퓨터는 숫자밖에 모르기 때문이다.
• 그래서, 문자의 유니코드를 직접 저장할 수 있다.

char ch = 'A'; // 문자 'A' (사실은 유니코드)를 char타입의 변수 ch에 저장.
char ch = 65; // 문자의 코드를 직접 변수 ch에 저장.

• 혹시, 해당하는 문자의 유니코드를 알고 싶다면, 아래와 같이 정수형으로 형변환 하면 된다.

int code = (int) ch;

특수문자 다루기

• 영문자 이외에 tab이나 backspace등의 특수문자를 저장하려면 아래와 같은 표처럼 작성하면 된다.

특수 문자	문자 리터럴
tab	\t
backspace	\b
form feed	\f
new line	\n
carriage return	\r
역슬래쉬	\\
작은 따옴표	\'
큰 따옴표	\"
유니코드 (16진수) 문자	\u유니코드 (ex. char a = '\u'0041)

char타입의 표현형식

• 정수형과 다른 것은 부호가 없는 정수로만 표현이 된다는 것이다.
• 그래서, 표현할 수 있는 값의 범위가 다르다.

16비트로 표현할 수 있는 정수의 개수: 2^16 (65536개)
short타입의 표현범위: -2^15 ~ (2^15) -1 (-32768 ~ 32767)
char타입의 표현범위: 0 ~ (2^16)-1 (0~65535)

• 아래와 같이 'A'와 65를 저장하면 둘다 똑같은 2진수가 저장된다.
  하지만 출력하면 결과가 다르게 나온다. ch는 'A'가 나올것이고 s는 65가 나올 것이다.
• 왜냐하면 컴퓨터는 변수를 해석할 때 값만 보고 해석하는게 아니라 값의 타입까지 확인하고 출력을 하기 때문이다.
• 만약 값의 타입을 모르면 '1231'이라는 것을 일이삼일로 읽을지, 12시 31분으로 읽을 지 모르게 때문이다.

char ch = 'A';
short s = 65;

인코딩과 디코딩 (encoding & decoding)

• 컴퓨터가 숫자밖에 모르기 때문에 문자가 숫자로 변환되는 것은 위에서도 언급을 하였다. 하지만 어떤 기준으로 변환을 할까? 그것은 바로 유니코드 표이다.

• 위의 표 처럼 문자를 코드로 변환하는 것을 문자 인코딩이라 하며, 코드를 문자로 변환하는 것을 문자 디코딩이라고 한다.
• 가끔 인터넷 검색을 하다보면, 페이지 전체가 알아볼수 없는 이상한 글자로 가득 찬 경험이 있을 것이다. 그때마다 버그인가? 해킹당했나?라고 생각하지 말고 해당 html 문서에서 인코딩에 사용된 코드표와 웹브라우저의 설정이 맞지 않아서이다.

아스키(ASCII)

• ASCII란, 정보교환을 위한 미국 표준 코드라는 뜻이며, 128개의 문자집합을 제공하는 7bit 부호이다.
• 처음 32개 문자는 제어문자로, 출력할수 없고 33번째 이후 문자들은 출력이
  가능하며, 기호와 숫자, 영소대문자로 이루어져 있다.
• 특징으로는 숫자 (0~9), 영문자 (A~Z, a~z)가 연속적으로 배치되었다는 것이 특징이며, 프로그래밍에서 유용하기 활용된다.

확장 아스키(Extended ASCII)와 한글

• 일반적으로 데이터는 1byte단위로 이루어 지는데, 아스키는 7bit이므로, 1bit가 남는다. 그 남는 1bit를 활용하여 문자를 추가 정의한 것이 확장 아스키이다.
• 확장 아스키중에 추가된 문자는 128개의 문자이다. 이 128개의 문자는 여러국가와 기업에서 서로의 필요에 따라 다르게 정의해서 사용한다.
• 그 중 대표적인 것이, ISO 8859-1이다. 주로 서유럽에서 일반적으로 사용하는 문자들을 포함한다.
• 확장 아스키로도 표현하기 힘든 언어가 한글이다. 그래서 생각해낸 방법이 두개의 문자코드로 한글을 표현하는 방법이다.
• 두개의 문자코드를 조합하여 만들어낸 것이 확장 완성형 (CP 949) 방식이다.
• 현재 윈도우 PC에서는 CP 949방식으로 인코딩되어서 저장되어 있다.

코드 페이지 (code page, cp)

• PC를 사용하는 지역이나 국가에 따라 여러 버전의 '확장 아스키'가 필요했다.
• 그래서, 여러 버전의 확장 아스키 모음집을 코드 페이지라고 불렀으며, CP xxx 형식으로 이름을 붙였다.
• 그래서, 한글 윈도우는 'CP-949', 영문 윈도우는 'CP-437'을 사용한다.

유니코드

• 인터넷의 발명으로 각 국에서 다른 언어를 사용하는 컴퓨터 간의 자료 교환이 활발해지기 시작하면서 서로 다른 문자 인코딩 사용으로 문서교환이 어려워졌다.
• 이에 어려움을 해소하고자, 전 세계의 모든 문자를 하나의 통일된 문자집합으로 표현하였고, 그것이 바로 유니코드이다.
• 처음에 유니코드는 2byte로 표현하기 시작하였으나, 새로운 언어들의 만들어지면서 21bit로 확장이 되었다.
• 새로 추가된 문자들을 보충문자라 불리며, 이 보충문자를 표현할려면 char 자료형이 아닌, int타입을 사용해야 한다.
• 유니코드는 먼저 유니코드에 포함시키고자 하는 문자들의 집합을 정의하였는데, 이것을 유티코드 문자 셋이라고 한다. 이 문자 셋에 번호를 붙인것이 유니코드 인코딩이다.
• 유티코드 인코딩에는 UTF-8, UTF-16, UTF-32등 여러가지가 있지만, 자바에서 사용하는 유니코드 인코딩은 UTF-16이다.
• 모든 문자의 크기가 동일한 UTF-16이 문자를 다루기 편리하지만, 1byte로도 충분히 표현이 가능한, 영문자나 숫자가 2byte가 되므로, 문서의 크기가 매우 커진다.
• UTF-8은 영문자나 숫자는 1byte, 한글은 3byte로 표현되어 문서의 크기가 작지만 가변적이다.
• UTF-8과 UTF-16 둘다 처음 128문자 아스키는 동일하다.
• 하지만, 인터넷 세상에서 문서의 크기가 작은 장점이 더 커서, 요즘은 UTF-8을 이용한다.

참고
코드포인트는 유니코드 문자 셋에 순서대로 붙인 일련번호이다.
이 문자들은 번호 (코드 포인트)로 다루는 것이 편리하다.

정수형

• 정수형은 byte부터 long까지 1byte부터 시작해서 2배씩 크기가 증가한다.
• 기본 자료형은 int이다.

정수형의 표현형식과 범위

• 어떤 진법의 리터럴을 변수에 저장해도 실제로는 2진수로 바뀌어 저장된다.

• 모든 정수형은 부호있는 정수이므로, 왼쪽의 첫번째 비트를 부호비트로 사용하고, 나머지는 값을 표현하는데 사용한다.

n비트로 표현할 수 있는 정수의 개수 : 2^n개 (2^(n-1)개 + 2^(n-1)개)
n비트로 표현할 수 있는 부호있는 정수의 범위 : -2^(n-1) ~ 2^(n-1) - 1

정수형의 선택기준

• 변수에 저장하려는 정수값의 범위에 따라 4개의 정수형 중에서 하나를 선택하면 되지만, byte나 short보다, int를 사용하도록 하자.
• byte나 short가 int보다 크기가 작아서 메모리를 조금 더 절약 할 수 있지만, 저장할 수 있는 값의 범위가 작은 편이라서 연산 시에 범위를 넘어서 잘못된 결과를 얻을 수 있다.
• 그리고 여담이지만, JVM 피연산자 스택이 피연산자를 4byte단위로 저장하기 때문에 byte나 short같은 4byte 아래의 자료형도 4byte로 변환되어 계산되기 때문에 오리혀 int가 효율적이다.
• 정수형 변수를 선언할 때는 int타입으로 하고, int의 범위를 넘어서는 수를 다룰 때는 long을 사용하면 된다.
• byte나 short는 성능보다 저장공간 절약하는것이 더 중요할 때 사용 권장.

참고
long타입의 범위를 벗어나는 값을 다룰 때는 실수형 타입이나 BigInteger 클래스를 사용하면 된다.

정수형의 오버플로우

• 4bit 2진수의 최댓값인 '1111'에서 1을 더하면 어떻게 될까? 에러 발생?
• 원래는 10000으로 되는것이 맞지만, 4bit밖에 허용이 안되면 0000으로 초기화가 된다.
• 이처럼, 타입이 표현할 수 있는 값의 범위를 넘어서는 것을 오버플로우라고 한다.
• 오버플로우가 발생하면, 예상하지 못한 결과 값이 나온다. 그래서, 오버플로우가 발생하지 않게, 충분한 크기의 타입을 선택해서 사용해야 한다.
• 쉽게 생각하면 자동차 주행표시기를 생각하면 쉽다.

요약정리
최대값 + 1 = 최소값
최소값 - 1 = 최대값

부호있는 정수의 오버플로우

• 부호 없는 정수와 부호 있는 정수는 표현범위 즉, 최댓값과 최솟값이 다르기 때문에 오버플로우가 발생하는 시점이 다르다.
• 부호없는 정수는 2진수로 '0000'이 될 때, 오버플로우가 발생하고,
  부호있는 정수는 부호비트가 0에서 1로 될 때 오버플로우가 발생된다.

실수형

• 실수형은 말 그대로 실수를 저장하기 위한 자료형으로 float와 doble이 있다. 저장할 수 있는 범위는 아래와 같다.

• 실수형은 소수점도 표현해야 하므로, 얼마나 큰 값을 표현할수 있는가 뿐만 아니라 얼마나 0에 가깝게 표현할 수 있는가도 중요하다.

Q. 실수형도 정수형처럼 오버플로우가 발생하는가?
A. 정수형과 달리, 실수형에서는 오버플로우가 발생하면 변수의 값은 무한대가 된다. 그리고 정수형에 없던 언더 플로우가 있는데, 언더플로우는 실수형으로도 표현할 수 없는 아주 작은 값, 즉, 양의 최소 값보다 작은 값이 되는 경우를 말한다.

• 같은 byte로 정수형보다 많은 범위를 낼수 있을까? int형과 float형은 똑같은 4byte이지만, float형이 훨씬 많은 범위를 표현할 수 있다.
• 그 이유는 값을 저장하는 형식이 다르기 때문이다. 정수형은 부호와 값 2가지로 이루어져 있지만, 실수형은 부후부, 지수부, 가수부로 나눠진다. 즉, 2의 제곱형태로 값을 저장하기 때문에 똑같은 byte로도 많은 범위를 표현할 수 있는것이다.
• 하지만, 이런 장점만 있으면, 우리 개발자들은 실수형만 썼을 것이다. 정말로 치명적인 단점이 존재한다. 바로, 오차가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 그래서 실수형은 값의 범위보다도, 정밀도 또한 아주 중요한 요인으로 들어간다.
• float는 정밀도가 7자리이고, 그 이상은 double을 사용한다. 이것이 우리 개발자들이 실수형을 표현할 때 double형을 작성하는 이유이다.
• 저장하려는 값의 범위보다도, 보다 높은 정밀도가 필요해서이다.
• 그래서 메모리를 절약하는것이 더 중요한 프로그램에서는 float을 쓰고,
  그 외에는 double을 사용한다.

실수형의 저장형식

• 실수형은 앞에서 이야기를 했듯이 정수형과 표현형식이 달라서, 실수형은 값을 부동소수점 형태로 저장한다.
• 부동소수점은 부호부, 지수부, 가수부로 이루어진다.

기호	의미	설명
S	부호	0이면 양수, 1이면 음수
E	지수	부호 있는정수, 지수의 범위는 -127 ~ 128 (float), -1023 ~ 1024 (double)
M	가수	실재 값을 저장하는 부분. 10진수로 7자리 (float), 15자리 (double)의 정말도로 저장 가능

부호부

• 정수형과 달리 2의 보수법을 사용하지 않기 때문에, 양의 실수를 음의 실수로 바꾸려면, 그저 부호비트만 바꿔주면 된다.

지수부

• 지수부는 지수를 저장하는 부분으로 float의 경우는 8bit의 저장공간을 갖는다. 즉, -127 ~ 128의 범위가 저장된다.
• 하지만 NaN, 양의 무한대, 음의 무한대와 같이 특별한 값의 표현을 위해 예약되어 있으므로 실제로 사용가능한 지수의 범위는 -126 ~ 127이다.

가수부

• 가수부는 실제 값인 가수를 저장하는 부분으로 float의 경우는 2진수 23자리를 저장 가능하다. 즉, 10진수로 7자리를 저장할 수 있는데 이것이 정밀도다. double의 경우는 float의 정밀도의 2배이다.

부동 소수점의 오차

• 실수중에는 파이같은 무한소수가 존재하므로, 정수와 달리 실수를 저장할때는 오차가 발생할 수 있다.
• 게다가 10진수가 아닌 2진수로 저장하기 때문에, 10진수에서 유한소수더라도 2진수로는 무한소수가 될 수 있다. 2진소수로는 10진소수로 정확히 표현하기 힘들기 때문이다.
• 비록, 2진수가 유한소수라도, 가수를 저장할 수 있는 자리수가 한정되어 있으므로 저장되지 못하고 버려지는 값들이 있으면 오차가 발생한다.
• 2진수로 변환된 실수를 저장할때는 1.xxx X 2^n형태로 변환하는데 이 과정을 정규화라고 한다.

코드에서 float타입을 int타입으로 변환하는 함수가 존재하는데 아래와 같다.

Float.floatToIntBits();