Java Double 與 BigDecimal
1. 概述
Java 中[Double](https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/Double.html)與BigDecimal之間的選擇會顯著影響效能以及浮點數的精確度和準確度。在本教程中，我們將比較和對比這兩個類別的特徵、優點和缺點、它們的用例，以及如何解決它們的精確度和舍入問題。
2. Double
Double類別是double基元資料類型的包裝器，非常適合通用浮點運算，並且在許多場景下都能很好地工作。然而，它有一些限制。最突出的問題是其有限的精度。由於二進位表示的性質， double數在處理小數時可能會出現舍入錯誤。
例如， double精度字面值 0.1 並不完全等於小數 0.1，而是稍大的值：
@Test
public void givenDoubleLiteral_whenAssigningToDoubleVariable_thenValueIsNotExactlyEqual() {
double doubleValue = 0.1;
double epsilon = 0.0000000000000001;
assertEquals(0.1, doubleValue, epsilon);
}3. BigDecimal
BigDecimal類別表示一個不可變的、任意精確度的、有符號的十進位數。它可以處理任何大小的數字而不會損失精度。想像一下，有一個強大的放大鏡，可以放大數軸的任何部分，使我們能夠處理大或極小的數字。
它由兩部分組成：未縮放的值（任意精確度的整數）和小數位數（表示小數點後的位數）。例如， BigDecimal 3.14 的未縮放值為 314，小數位數是 2。
BigDecimal類別提供比Double更好的精度，因為它可以使用任意精度的小數執行計算，避免了Double's二進位表示形式產生的捨入誤差。這是因為BigDecimal內部使用整數運算，這比浮點運算更準確。
讓我們來看看一些如何在 Java 中使用BigDecimal類別的範例：
private BigDecimal bigDecimal1 = new BigDecimal("124567890.0987654321");
private BigDecimal bigDecimal2 = new BigDecimal("987654321.123456789");
@Test
public void givenTwoBigDecimals_whenAdd_thenCorrect() {
BigDecimal expected = new BigDecimal("1112222211.2222222211");
BigDecimal actual = bigDecimal1.add(bigDecimal2);
assertEquals(expected, actual);
}
@Test
public void givenTwoBigDecimals_whenMultiply_thenCorrect() {
BigDecimal expected = new BigDecimal("123030014929277547.5030955772112635269");
BigDecimal actual = bigDecimal1.multiply(bigDecimal2);
assertEquals(expected, actual);
}
@Test
public void givenTwoBigDecimals_whenSubtract_thenCorrect() {
BigDecimal expected = new BigDecimal("-863086431.0246913569");
BigDecimal actual = bigDecimal1.subtract(bigDecimal2);
assertEquals(expected, actual);
}
@Test
public void givenTwoBigDecimals_whenDivide_thenCorrect() {
BigDecimal expected = new BigDecimal("0.13");
BigDecimal actual = bigDecimal1.divide(bigDecimal2, 2, RoundingMode.HALF_UP);
assertEquals(expected, actual);
}4. 比較和用例
4.1. Double和BigDecimal之間的比較
從Double轉換為BigDecimal相對簡單。 BigDecimal類別提供接受double值作為參數的建構子。但是，轉換並不能消除Double的精度限制。相反，在擬合Double's約束範圍時，從BigDecimal轉換為Double可能會導致資料遺失和捨入錯誤。
讓我們嘗試一個簡單的轉換：
@Test
void whenConvertingDoubleToBigDecimal_thenConversionIsCorrect() {
double doubleValue = 123.456;
BigDecimal bigDecimalValue = BigDecimal.valueOf(doubleValue);
BigDecimal expected = new BigDecimal("123.456").setScale(3, RoundingMode.HALF_UP);
assertEquals(expected, bigDecimalValue.setScale(3, RoundingMode.HALF_UP));
}
@Test
void whenConvertingBigDecimalToDouble_thenConversionIsCorrect() {
BigDecimal bigDecimalValue = new BigDecimal("789.123456789").setScale(9, RoundingMode.HALF_UP);
double doubleValue = bigDecimalValue.doubleValue();
double expected = new BigDecimal("789.123456789").setScale(9, RoundingMode.HALF_UP).doubleValue();
assertEquals(expected, doubleValue);
}在速度和範圍方面， Java的Double中使用硬體級浮點運算使其比BigDecimal更快。 Double艙涵蓋範圍廣泛，可容納大量和少量人數。然而，它被限制在 64 位元結構中，帶來了精度限制，特別是對於極大或極小的數字。相比之下， BigDecimal提供了更廣泛的值範圍和更廣泛的值的更高精度。
記憶體使用情況也存在差異。 Java 的Double更加緊湊，這導致記憶體使用效率更高。另一方面， BigDecimal's優勢意味著更高的記憶體消耗。這可能會對我們的應用程式效能和可擴展性產生影響，特別是在記憶體密集型環境中。
4.2.用例
Double可以輕鬆地與其他數位類型連接，使其成為基本算術的便利選擇。當性能是優先考慮的時候，它是首選。 Double's速度和記憶體效率使其成為圖形和遊戲開發等應用程式的可靠選擇，這些應用程式通常涉及即時渲染和複雜的視覺效果。在這裡，效能對於維持流暢的使用者體驗至關重要。
另一方面， BigDecimal在處理貨幣計算時表現出色，其中精度錯誤可能會導致重大財務損失。它也是需要絕對精確度的科學模擬的救世主。雖然BigDecimal可能速度較慢且佔用記憶體較多，但它在準確性方面提供的保證在關鍵場景中可能非常寶貴。
因此， BigDecimal更適合金融應用、科學模擬、工程和物理模擬、數據分析和報告以及其他精度至關重要的領域中的任務。
4.3.精度和捨入註意事項
使用BigDecimal ，我們可以決定我們的計算將有多少位小數。當我們需要精確的十進制計算時，這非常有用，因為它可以按原樣儲存每個十進制數字。
我們也可以選擇計算中舍入的方式。不同的捨入模式對我們的結果有不同的影響，例如：
-
UP：將數字增加到下一個較高的值（當我們想要確保一個值永遠不會小於某個值時） -
DOWN：將數字減少到前面的較低值（當我們想要確保一個值永遠不會大於某個特定值時） -
HALF_UP：如果丟棄的分數大於 0.5，則向上捨入 -
HALF_DOWN：如果丟棄的分數小於 0.5，則向下舍入
當我們需要準確和統一的數據時，這種對舍入和精度的控制水平是BigDecimal更適合金融計算的另一個原因。
由於電腦表示數字的方式， Double引入了出現微小錯誤的可能性。表示重複小數（例如 1/3）可能會很棘手，因為它們會導致無限的二進位展開。
當我們嘗試用二進位（基數 2）表示像 0.1 這樣的簡單數字時，它們也會變得同樣混亂。我們會得到像 0.00011001100110011 這樣的重複分數…計算機表示這些分數的位數有限，因此必須在某個時刻將它們四捨五入。因此，儲存的值並不完全是 0.1，這可能會在我們執行計算時導致微小的錯誤。
4.4.比較表
讓我們用表格總結一下我們對Double與BigDecimal的了解：
| 方面 | **Double** |
**BigDecimal** |
|---|---|---|
| 精確 | 有限的 | 隨意的 |
| 範圍 | 廣泛（大和小） | 廣泛的 |
| 記憶體使用情況 | 袖珍的 | 更高 |
| 表現 | 快點 | 慢點 |
| 用例 | 一般用途 | 金融、科學 |
5. 結論
在本文中，我們討論了 Java Double和BigDecimal類型之間的細微差別以及使用它們時精度和性能之間的權衡。
與往常一樣，程式碼範例可在 GitHub 上取得。