类与对象

本文为书籍《Java编程的逻辑》¹和《剑指Java：核心原理与应用实践》²阅读笔记

将客观世界中存在的一切可以描述的事物称为对象（实体），即“万物皆对象”。例如，楼底下卖烧饼的大姐、楼下KFC服务员、楼下停的共享单车，桌子上的水杯，中午的外卖订单等，都可以称为对象。这些众多的对象有些是有相同的属性和功能（或行为）的，按照属性和功能（或行为）等对它们进行分类、抽象，就形成了概念世界中的类。类实际上就是根据生活经验总结抽取出来的概念产物，相当于一组对象的模型。类和对象关系如下图所示。

如上图，类和对象我们可以理解为类等于抽象概念的人，对象等于实实在在的某个人。类是抽象的，对象是具体的，类相当于创建对象的蓝图。例如汽车，类与对象的关系就如汽车设计图与汽车实物的关系。面向对象的程序实现需要通过类创建对应的实例化对象，来对应客观世界中的实体。

1.1 自定义类

一个类由其包含的属性以及该类可以进行的操作组成，属性又可以分为是类本身具有的属性，还是一个具体实例具有的属性，同样，操作也可以分为是类型本身可以进行的操作，还是一个具体实例可以进行的操作。这样，一个类就主要由$4$部分组成：

1. 类本身具有的属性，通过类变量体现。
2. 类本身可以进行的操作，通过类方法体现。
3. 类实例具有的属性，通过实例变量体现。
4. 类型实例可以进行的操作，通过实例方法体现。

类变量和实例变量都叫成员变量，也就是类的成员，类变量也叫静态变量或静态成员变量。类方法和实例方法都叫成员方法，也都是类的成员，类方法也叫静态方法。

1、类变量类方法

类型本身具有的属性通过类变量体现，经常用于表示一个类型中的常量。比如Math类，定义了两个数学中常用的常量，如下所示：

   public static final double E = 2.718281828459045;public static final double PI = 3.141592653589793;

$E$表示数学中自然对数的底数，自然对数在很多学科中有重要的意义；$PI$表示数学中的圆周率$\pi$。要使用类变量，可以直接通过类名访问，如Math.PI。这两个变量的修饰符也都有public static，public表示外部可以访问，static表示是类变量。与public相对的是private，表示变量只能在类内被访问。与static相对的是实例变量，没有static修饰符。这里多了一个修饰符final， final在修饰变量的时候表示常量，即变量赋值后就不能再修改了。使用final可以避免误操作，比如，如果有人不小心将Math.PI的值改了，那么很多相关的计算就会出错。另外，Java编译器可以对final变量进行一些特别的优化。所以，如果数据赋值后就不应该再变了，就加final修饰符。表示类变量的时候，static修饰符是必需的，但public和final都不是必需的。

2、类方法

类型本身的方法通过类方法体现，经常用于表示一个类型中的方法。比如Math中定义的一些数学函数，要使用这些函数，直接在前面加Math.即可，例如Math.abs(-1)返回$1$​。这些函数都有相同的修饰符：public static。static表示类方法，也叫静态方法，与类方法相对的是实例方法。实例方法没有static修饰符，必须通过实例或者对象调用，而类方法可以直接通过类名进行调用，不需要创建实例。public表示这些函数是公开的，可以在任何地方被外部调用。与public相对的是private。如果是private，则表示私有，这个函数只能在同一个类内被别的函数调用，而不能被外部的类调用。在Math类中，有一个函数Random initRNG就是private的，这个函数被public的方法random调用以生成随机数，但不能在Math类以外的地方被调用。将函数声明为private可以避免该函数被外部类误用，调用者可以清楚地知道哪些函数是可以调用的，哪些是不可以调用的。类实现者通过private函数封装和隐藏内部实现细节，而调用者只需要关心public就可以了。可以说，通过private封装和隐藏内部实现细节，避免被误操作，是计算机程序的一种基本思维方式。

3、实例变量和实例方法

实例变量表示具体的实例所具有的属性，实例方法表示具体的实例可以进行的操作。如果将微信订阅号看作一个类型，那“人民日报”订阅号就是一个实例，订阅号的头像、功能介绍、发布的文章可以看作实例变量，而修改头像、修改功能介绍、发布新文章可以看作实例方法。实例变量和实例方法是每个实例独有的，虽然可能和其它类似的实例一样，但是不是同一个东西。比如，一个人，都有头发，但是每个人的头发都是不一样的。

实例方法和类方法的主要区别如下：

1. 类方法只能访问类变量，不能访问实例变量，可以调用其他的类方法，不能调用实例方法。
2. 实例方法既能访问实例变量，也能访问类变量，既可以调用实例方法，也可以调用类方法。

1.2 第一个类

我们定义一个简单的类来表示直角坐标系中的一个点，代码如下：

package com.ieening;public class ClassTest {public static void main(String[] args) {Point point; // 注释4point = new Point(); // 注释5System.out.println("Point:x=" + point.x + ",y=" + point.y); // 注释9point.x = 3; // 注释6point.y = 4; // 注释6System.out.println("Point:x=" + point.x + ",y=" + point.y); // 注释7System.out.println(point.distance()); // 注释8}
}/*** Point*/
class Point { // 注释1public int x; // 注释2public int y; // 注释2public double distance() { // 注释3return Math.sqrt(x * x + y * y);}
}

1. 注释1：定义了名为Point的类（class Point）。
2. 注释2：类中定义了两个两个实例变量（public int x; public int y;）表示。
3. 注释3：类中定义一个实例方法（public double distance）。
4. 注释4：Point p声明了一个变量，这个变量叫p，是Point类型的，这个变量和数组变量是类似的，都有两块内存：一块存放实际内容，一块存放实际内容的位置。声明变量本身只会分配存放位置的内存空间，这块空间还没有指向任何实际内容，像这种只保存实际内容位置的变量，也叫做引用类型的变量。
5. 注释5：创建了一个实例或对象，然后赋值给了Point类型的变量p，它至少做了两件事：
   1. 分配内存，以存储新对象的数据，对象数据包括这个对象的属性，具体包括其实例变量x和y。
   2. 给实例变量设置默认值，int类型默认值为$0$。
6. 注释6：给public属性赋值；
7. 注释7：使用public属性，格式为：<对象变量名>.<成员名>；
8. 注释8：调用实例方法distance，并输出结果，语法形式是：<对象变量名>.<方法名>；
9. 注释9：实例变量都会有默认值，int默认值为0；

本例中，我们通过对象直接操作了其内部数据x和y，这是一个不好的习惯，一般而言，不应该将实例变量声明为public，而是private，并且只应该通过对象的方法对实例变量进行操作。这也是为了减少误操作，直接访问变量没有办法进行参数检查和控制，而通过方法修改，可以在方法中进行检查。

1.3 private变量

一般不应该将实例变量声明为public，下面我们修改一下类的定义，将实例变量定义为private，然后通过实例方法来操作变量，比如获取变量值以及修改变量值。修改后，代码如下：

package com.ieening;public class ClassTest {public static void main(String[] args) {Point point;point = new Point();System.out.println("Point:x=" + point.getX() + ",y=" + point.getY());point.setX(3);point.setY(4);System.out.println("Point:x=" + point.getX() + ",y=" + point.getY());System.out.println(point.distance());}
}/*** Point*/
class Point {private int x;private int y;public int getX() {return x;}public void setX(int x) {this.x = x;}public int getY() {return y;}public void setY(int y) {this.y = y;}public double distance() {return Math.sqrt(x * x + y * y);}
}

上面代码中，我们加了$4$个方法，setⅩ/setY用于设置实例变量的值，getⅩ/getY用于获取实例变量的值，这就是私有属性的Setter和Getter方法。

这里面需要介绍的是this这个关键字。this表示当前实例，在语句this.x=x;中，this.x表示实例变量x，而右边的x表示方法参数中的x。在实例方法中，有一个隐含的参数，这个参数就是this，没有歧义的情况下，可以直接访问实例变量，在这个例子两个变量setter方法中，因为实例属性和方法参数相同，所以需要通过加上this来消除歧义。这$4$个方法看上去是非常多余的，直接访问变量不是更简洁吗？而且函数调用是有成本的。在这个例子中，意义确实不太大，实际上，Java编译器一般也会将对这几个方法的调用转换为直接访问实例变量，而避免函数调用的开销。但在很多情况下，通过函数调用可以封装内部数据，避免误操作，我们一般还是不将成员变量定义为public。

1.4 变量默认值

实例变量都有默认值，但是如果我们想修改该默认值该怎么办呢？如下面代码，如果希望修改这个默认值，有两种方法：

1. 注释1：可以在定义变量的同时就赋值；
2. 注释2：将代码放入初始化代码块中，代码块用{}包围；

package com.ieening;public class ClassTest {public static void main(String[] args) {......}
}/*** Point*/
class Point {private int x=6; // 注释1private int y;{y=8; // 注释2}......
}

上述代码中，x的默认值设为了$1$, y的默认值设为了$2$​。在新建一个对象的时候，会先调用这个初始化，然后才会执行构造方法中的代码，关于构造方法，我们稍后介绍。静态变量也可以这样初始化：

    static int STATIC_ONE = 1;static int STATIC_TWO;static {STATIC_TWO = 2;}

语句外面包了一个static {}，这叫静态初始化代码块。静态初始化代码块在类加载的时候执行，这是在任何对象创建之前，且只执行一次。

1.5 构造方法

在初始化对象的时候，前面我们都是直接对每个变量赋值，有一个更简单的方式对实例变量赋初值，就是构造方法，先看下面代码。在Point类定义中增加如下代码：

package com.ieening;public class ClassTest {public static void main(String[] args) {......}
}/*** Point*/
class Point {private int x;private int y;Point() { // 注释1this(0, 0);}Point(int x, int y) { // 注释2this.x = x;this.y = y;}public int getX() {return x;}......}

注释1和注释2，这两个就是构造方法，构造方法可以有多个。不同于一般方法，构造方法有一些特殊的地方：

1. 名称是固定的，必须与类名相同。这也容易理解，靠这个用户和Java系统就都能容易地知道哪些是构造方法。
2. 没有返回值，也不能有返回值。构造方法隐含的返回值就是实例本身。
3. 与普通方法一样，构造方法也可以重载。第二个构造方法是比较容易理解的，使用this对实例变量赋值。我们解释下第一个构造方法，this(0,0)的意思是调用第二个构造方法，并传递参数0,0，我们前面解释说this表示当前实例，可以通过this访问实例变量，这是this的第二个用法，用于在构造方法中调用其他构造方法。这个this调用必须放在第一行，这个规定也是为了避免误操作。构造方法是用于初始化对象的，如果要调用别的构造方法，先调别的，然后根据情况自己再做调整，而如果自己先初始化了一部分，再调别的，自己的修改可能就被覆盖了。

这个例子中，不带参数的构造方法通过this(0,0)又调用了第二个构造方法，这个调用是多余的，因为x和y的默认值就是$0$，不需要再单独赋值，我们这里主要是演示其语法。

我们来看下如何使用构造方法，代码如下：

public class ClassTest {public static void main(String[] args) {Point point;point = new Point(3, 4); // 注释1System.out.println("Point:x=" + point.getX() + ",y=" + point.getY());System.out.println(point.distance());}
}

注释1中调用构造方法，就可以将实例变量x和y的值设为$3$和$4$。前面我们介绍new Point()的时候说，它至少做了两件事，一件是分配内存，另一件是给实例变量设置默认值，这里我们需要加上一件事，就是调用构造方法。调用构造方法是new操作的一部分。通过构造方法，可以更为简洁地对实例变量进行赋值。

关于构造方法，下面我们讨论两个细节概念：一个是默认构造方法；另一个是私有构造方法。

1、默认构造方法

默认构造方法每个类都至少要有一个构造方法，在通过new创建对象的过程中会被调用。但构造方法如果没什么操作要做，可以省略。Java编译器会自动生成一个默认构造方法，也没有具体操作。但一旦定义了构造方法，Java就不会再自动生成默认的，具体什么意思呢？在这个例子中，如果我们只定义了第二个构造方法（带参数的），则下面语句：Point p = new Point();就会报错，因为找不到不带参数的构造方法。为什么Java有时候自动生成，有时候不生成呢？在没有定义任何构造方法的时候，Java认为用户不需要，所以就生成一个空的以被new过程调用；定义了构造方法的时候，Java认为用户知道自己在干什么，认为用户是有意不想要不带参数的构造方法，所以不会自动生成。

2、私有构造方法

构造方法可以是私有方法，即修饰符可以为private，为什么需要私有构造方法呢？大致可能有这么几种场景：

1. 不能创建类的实例，类只能被静态访问，如Math和Arrays类，它们的构造方法就是私有的。
2. 能创建类的实例，但只能被类的静态方法调用。有一种常见的场景：类的对象有但是只能有一个，即单例（单个实例）。在这种场景中，对象是通过静态方法获取的，而静态方法调用私有构造方法创建一个对象，如果对象已经创建过了，就重用这个对象。
3. 只是用来被其他多个构造方法调用，用于减少重复代码。

1.6 类和对象的生命周期

了解了类和对象的定义与使用，下面我们再从程序运行的角度理解下类和对象的生命周期。

在程序运行的时候，当第一次通过new创建一个类的对象时，或者直接通过类名访问类变量和类方法时，Java会将类加载进内存，为这个类分配一块空间，这个空间会包括类的定义、它的变量和方法信息，同时还有类的静态变量，并对静态变量赋初始值。类加载进内存后，直到程序结束一般都不会释放。一般情况下，类只会加载一次，所以静态变量在内存中只有一份。当通过new创建一个对象的时候，对象产生，在内存中，会存储这个对象的实例变量值，每做new操作一次，就会产生一个对象，就会有一份独立的实例变量。每个对象除了保存实例变量的值外，可以理解为还保存着对应类型即类的地址，这样，通过对象能知道它的类，访问到类的变量和方法代码。实例方法可以理解为一个静态方法，只是多了一个参数this。通过对象调用方法，可以理解为就是调用这个静态方法，并将对象作为参数传给this。对象的释放是被Java用垃圾回收机制管理的，大部分情况下，我们不用太操心，当对象不再被使用的时候会被自动释放。

具体来说，对象和数组一样，有两块内存，保存地址的部分分配在栈中，而保存实际内容的部分分配在堆中。栈中的内存是自动管理的，函数调用入栈就会分配，而出栈就会释放。堆中的内存是被垃圾回收机制管理的，当没有活跃变量指向对象的时候，对应的堆空间就可能被释放，具体释放时间是Java虚拟机自己决定的。活跃变量就是已加载的类的类变量，以及栈中所有的变量。

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1. 马俊昌.Java编程的逻辑[M].北京:机械工业出版社,2018. ↩︎

2. 尚硅谷教育.剑指Java：核心原理与应用实践[M].北京:电子工业出版社,2023. ↩︎