2018-08-12 17:41 华中科技大学 Java

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【有书共读】读书笔记《java编程思想》第二篇

第二章一切都是对象

“尽管以C++为基础，但Java是一种更纯粹的面向对象程序设计语言”。

无论C++还是Java都属于杂合语言。但在Java中，设计者觉得这种杂合并不象在C++里那么重要。杂合语言允许采用多种编程风格；之所以说C++是一种杂合语言，是因为它支持与C语言的向后兼容能力。由于C++是C的一个超集，所以包含的许多特性都是后者不具备的，这些特性使C++在某些地方显得过于复杂。

Java语言首先便假定了我们只希望进行面向对象的程序设计。也就是说，正式用它设计之前，必须先将自己的思想转入一个面向对象的世界（除非早已习惯了这个世界的思维方式）。只有做好这个准备工作，与其他OOP语言相比，才能体会到Java的易学易用。在本章，我们将探讨Java程序的基本组件，并体会为什么说Java乃至Java程序内的一切都是对象。

2.1用句柄操纵对象

每种编程语言都有自己的数据处理方式。有些时候，程序员必须时刻留意准备处理的是什么类型。您曾利用一些特殊语法直接操作过对象，或处理过一些间接表示的对象吗（C或C++里的指针）？

所有这些在Java里都得到了简化，任何东西都可看作对象。因此，我们可采用一种统一的语法，任何地方均可照搬不误。但要注意，尽管将一切都“看作”对象，但操纵的标识符实际是指向一个对象的“句柄”（Handle）。在其他Java参考书里，还可看到有的人将其称作一个“引用”，甚至一个“指针”。可将这一情形想象成用遥控板（句柄）操纵电视机（对象）。只要握住这个遥控板，就相当于掌握了与电视机连接的通道。但一旦需要“换频道”或者“关小声音”，我们实际操纵的是遥控板（句柄），再由遥控板自己操纵电视机（对象）。如果要在房间里四处走走，并想保持对电视机的控制，那么手上拿着的是遥控板，而非电视机。

此外，即使没有电视机，遥控板亦可独立存在。也就是说，只是由于拥有一个句柄，并不表示必须有一个对象同它连接。所以如果想容纳一个词或句子，可创建一个String句柄：

String s;

但这里创建的只是句柄，并不是对象。若此时向s发送一条消息，就会获得一个错误（运行期）。这是由于s实际并未与任何东西连接（即“没有电视机”）。因此，一种更安全的做法

是：创建一个句柄时，记住无论如何都进行初始化：

String s = "asdf";

然而，这里采用的是一种特殊类型：字串可用加引号的文字初始化。通常，必须为对象使用一种更通用的初始化类型。

2.2 所有对象都必须创建

程序运行时，我们最好对数据保存到什么地方做到心中有数。特别要注意的是内存的分配。有六个地方都可以保存数据：

(1)寄存器。这是最快的保存区域，因为它位于和其他所有保存方式不同的地方：处理器内部。然而，寄存器的数量十分有限，所以寄存器是根据需要由编译器分配。我们对此没有直接的控制权，也不可能在自己的程序里找到寄存器存在的任何踪迹。

(2)堆栈。驻留于常规RAM（随机访问存储器）区域，但可通过它的“堆栈指针”获得处理的直接支持。堆栈指针若向下移，会创建新的内存；若向上移，则会释放那些内存。这是一种特别快、特别有效的数据保存方式，仅次于寄存器。创建程序时，Java编译器必须准确地知道堆栈内保存的所有数据的“长度”以及“存在时间”。这是由于它必须生成相应的代码，以便向上和向下移动指针。这一限制无疑影响了程序的灵活性，所以尽管有些Java数据要保存在堆栈里——特别是对象句柄，但Java对象并不放到其中。

(3)堆。一种常规用途的内存池（也在RAM区域），其中保存了Java对象。和堆栈不同，“内存堆”或“堆”（Heap）最吸引人的地方在于编译器不必知道要从堆里分配多少存储空间，也不必知道存储的数据要在堆里停留多长的时间。因此，用堆保存数据时会得到更大的灵活性。要求创建一个对象时，只需用new命令编制相关的代码即可。执行这些代码时，会在堆里自动进行数据的保存。当然，为达到这种灵活性，必然会付出一定的代价：在堆里分配存储空间时会花掉更长的时间！

(4)静态存储。这儿的“静态”（Static）是指“位于固定位置”（尽管也在RAM里）。程序运行期间，静态存储的数据将随时等候调用。可用static关键字指出一个对象的特定元素是静态的。但Java对象本身永远都不会置入静态存储空间。

(5)常数存储。常数值通常直接置于程序代码内部。这样做是安全的，因为它们永远都不会改变。有的常数需要严格地保护，所以可考虑将它们置入只读存储器（ROM）。

(6)非RAM存储。若数据完全独立于一个程序之外，则程序不运行时仍可存在，并在程序的控制范围之外。其中两个最主要的例子便是“流式对象”和“固定对象”。对于流式对象，对象会变成字节流，通常会发给另一台机器。而对于固定对象，对象保存在磁盘中。即使程序中止运行，它们仍可保持自己的状态不变。对于这些类型的数据存储，一个特别有用的技巧就是们能存在于其他媒体中。一旦需要，甚至能将它们恢复成普通的、基于RAM的对象。Java1.1提供了对Lightweight persistence的支持。未来的版本甚至可能提供更完整的方案。

2.3绝对不要清除对象

在大多数程序设计语言中，变量的“存在时间”（Lifetime）一直是程序员需要着重考虑的问题。变量应持续多长的时间？如果想清除它，那么何时进行？在变量存在时间上纠缠不清会造成大量的程序错误。在下面的小节里，将阐示Java如何帮助我们完成所有清除工作，从而极大了简化了这个问题。

作用域

大多数程序设计语言都提供了“作用域”（Scope）的概念。对于在作用域里定义的名字，作用域同时决定了它的“可见性”以及“存在时间”。在C，C++和Java里，作用域是由花括号的位置决定的。参考下面这个例子：

{

int x = 12;

/* only x available */

{

int q = 96;

/* both x & q available */

}

/* only x available */

/* q “out of scope” */

}

作为在作用域里定义的一个变量，它只有在那个作用域结束之前才可使用。

在上面的例子中，缩进排版使Java代码更易辨读。由于Java是一种形式自由的语言，所以额外的空格、制表位以及回车都不会对结果程序造成影响。

注意尽管在C和C++里是合法的，但在Java里不能象下面这样书写代码：

{

int x = 12;

{

int x = 96; /* illegal */

}

编译器会认为变量x已被定义。所以C和C++能将一个变量“隐藏”在一个更大的作用域里。但这种做法在Java里是不允许的，因为Java的设计者认为这样做使程序产生了混淆。

Java对象不具备与主类型一样的存在时间。用new关键字创建一个Java对象的时候，它会超出作用域的范围之外。所以假若使用下面这段代码：

{

String s = new String("a string");

} /*作用域的终点*/

那么句柄s会在作用域的终点处消失。然而，s指向的String对象依然占据着内存空间。在上面这段代码里，我们没有办法访问对象，因为指向它的唯一一个句柄已超出了作用域的边界。

在后面的章节里，大家还会继续学习如何在程序运行期间传递和复制对象句柄。

这样造成的结果便是：对于用new创建的对象，只要我们愿意，它们就会一直保留下去。这个编程问题在C和C++里特别突出。看来在C++里遇到的麻烦最大：由于不能从语言获得任何帮助，所以在需要对象的时候，根本无法确定它们是否可用。而且更麻烦的是，在C++里，一旦工作完成，必须保证将对象清除。

这样便带来了一个有趣的问题。假如Java让对象依然故我，怎样才能防止它们大量充斥内存，并最终造成程序的“凝固”呢。在C++里，这个问题最令程序员头痛。但Java以后，情况却发生了改观。Java有一个特别的“垃圾收集器”，它会查找用new创建的所有对象，并辨别其中哪些不再被引用。随后，它会自动释放由那些闲置对象占据的内存，以便能由新对象使用。

这意味着我们根本不必操心内存的回收问题。只需简单地创建对象，一旦不再需要它们，它们就会自动离去。这样做可防止在C++里很常见的一个编程问题：由于程序员忘记释放内存造成的“内存溢出”。

2.4新建数据类型：类

如果说一切东西都是对象，那么用什么决定一个“类”（Class）的外观与行为呢？换句话说，是什么建立起了一个对象的“类型”（Type）呢？大家可能猜想有一个名为“type”的关键字。但从历史看来，大多数面向对象的语言都用关键字“class”表达这样一个意思：“我准备告诉你对象一种新类型的外观”。class关键字太常用了，以至于本书许多地方并没有用粗体字或双引号加以强调。在这个关键字的后面，应该跟随新数据类型的名称。例如：

class ATypeName {/*类主体置于这里}

这样就引入了一种新类型，接下来便可用new创建这种类型的一个新对象：

ATypeName a = new ATypeName();

在ATypeName里，类主体只由一条注释构成（星号和斜杠以及其中的内容，本章后面还会详细讲述），所以并不能对它做太多的事情。事实上，除非为其定义了某些方法，否则根本不能指示它做任何事情。

字段和方法

定义一个类时（我们在Java里的全部工作就是定义类、制作那些类的对象以及将消息发给那些对象），可在自己的类里设置两种类型的元素：数据成员（有时也叫“字段”）以及成员函数（通常叫“方法”）。其中，数据成员是一种对象（通过它的句柄与其通信），可以为任何类型。它也可以是主类型（并不是句柄）之一。如果是指向对象的一个句柄，则必须初始化那个句柄，用一种名为“构建器”（第4章会对此详述）的特殊函数将其与一个实际对象连接起来（就象早先看到的那样，使用new关键字）。但若是一种主类型，则可在类定义位置直接初始化（正如后面会看到的那样，句柄亦可在定义位置初始化）。

每个对象都为自己的数据成员保有存储空间；数据成员不会在对象之间共享。下面是定义了一些数据成员的类示例：

class DataOnly {

int i;

float f;

boolean b;

}

这个类并没有做任何实质性的事情，但我们可创建一个对象：

DataOnly d = new DataOnly();

可将值赋给数据成员，但首先必须知道如何引用一个对象的成员。为达到引用对象成员的目的，首先要写上对象句柄的名字，再跟随一个点号（句点），再跟随对象内部成员的名字。即“对象句柄.成员”。例如：

d.i = 47;

d.f = 1.1f;

d.b = false;

一个对象也可能包含了另一个对象，而另一个对象里则包含了我们想修改的数据。对于这个问题，只需保持“连接句点”即可。例如：

myPlane.leftTank.capacity = 100;

除容纳数据之外，DataOnly类再也不能做更多的事情，因为它没有成员函数（方法）。为正确理解工作原理，首先必须知道“自变量”和“返回值”的概念。我们马上就会详加解释。

主成员的默认值

若某个主数据类型属于一个类成员，那么即使不明确（显式）进行初始化，也可以保证它们获得一个默认值。

主类型默认值

Boolean false

Char '\u0000'(null)

byte (byte)0

short (short)0

int 0

long 0L

float 0.0f

double 0.0d

一旦将变量作为类成员使用，就要特别注意由Java分配的默认值。这样做可保证主类型的成员变量肯定得到了初始化（C++不具备这一功能），可有效遏止多种相关的编程错误。

然而，这种保证却并不适用于“局部”变量——那些变量并非一个类的字段。所以，假若在一个函数定义中写入下述代码：

int x;

那么x会得到一些随机值（这与C和C++是一样的），不会自动初始化成零。我们责任是在正式使用x前分配一个适当的值。如果忘记，就会得到一条编译期错误，告诉我们变量可能尚未初始化。这种处理正是Java优于C++的表现之一。许多C++编译器会对变量未初始化发出警告，但在Java里却是错误。

2.5方法、自变量和返回值

迄今为止，我们一直用“函数”（Function）这个词指代一个已命名的子例程。但在Java里，更常用的一个词却是“方法”（Method），代表“完成某事的途径”。尽管它们表达的实际是同一个意思，但从现在开始，本书将一直使用“方法”，而不是“函数”。Java的“方法”决定了一个对象能够接收的消息。通过本节的学习，大家会知道方法的定义有多么简单！

方法的基本组成部分包括名字、自变量、返回类型以及主体。下面便是它最基本的形式：

返回类型方法名( /*自变量列表*/ ) {/*方法主体*/}

返回类型是指调用方法之后返回的数值类型。显然，方法名的作用是对具体的方法进行标识和引用。自变量列表列出了想传递给方法的信息类型和名称。

Java的方法只能作为类的一部分创建。只能针对某个对象调用一个方法（注释③），而且那个对象必须能够执行那个方法调用。若试图为一个对象调用错误的方法，就会在编译期得到一条出错消息。为一个对象调用方法时，需要先列出对象的名字，在后面跟上一个句点，再跟上方法名以及它的参数列表。亦即“对象名.方法名(自变量1，自变量2，自变量3...)。举个例子来说，假设我们有一个方法名叫f()，它没有自变量，返回的是类型为int的一个值。那么，假设有一个名为a的对象，可为其调用方法f()，则代码如下：

int x = a.f();

返回值的类型必须兼容x的类型。象这样调用一个方法的行动通常叫作“向对象发送一条消息”。在上面的例子中，消息是f()，而对象是a。面向对象的程序设计通常简单地归纳为“向对象发送消息”。

③：正如马上就要学到的那样，“静态”方法可针对类调用，毋需一个对象。

自变量列表

自变量列表规定了我们传送给方法的是什么信息。正如大家或许已猜到的那样，这些信息——如同Java内其他任何东西——采用的都是对象的形式。因此，我们必须在自变量列表里指定要传递的对象类型，以及每个对象的名字。正如在Java其他地方处理对象时一样，我们实际传递的是“句柄”（注释④）。然而，句柄的类型必须正确。倘若希望自变量是一个“字串”，那么传递的必须是一个字串。

④：对于前面提及的“特殊”数据类型boolean，char，byte，short，int，long，，float以及double来说是一个例外。但在传递对象时，通常都是指传递指向对象的句柄。

下面让我们考虑将一个字串作为自变量使用的方法。下面列出的是定义代码，必须将它置于一个类定义里，否则无法编译：

int storage(String s) {

return s.length() * 2;

}

这个方法告诉我们需要多少字节才能容纳一个特定字串里的信息（字串里的每个字符都是16位，或者说2个字节、长整数，以便提供对Unicode字符的支持）。自变量的类型为String，而且叫作s。一旦将s传递给方法，就可将它当作其他对象一样处理（可向其发送消息）。在这里，我们调用的是length()方法，它是String的方法之一。该方法返回的是一个字串里的字符数。

通过上面的例子，也可以了解return关键字的运用。它主要做两件事情。首先，它意味着“离开方法，我已完工了”。其次，假设方法生成了一个值，则那个值紧接在return语句的后面。在这种情况下，返回值是通过计算表达式“s.length()*2”而产生的。可按自己的愿望返回任意类型，但倘若不想返回任何东西，就可指示方法返回void（空）。下面列出一些例子。

boolean flag() { return true; }

float naturalLogBase() { return 2.718; }

void nothing() { return; }

void nothing2() {}

若返回类型为void，则return关键字唯一的作用就是退出方法。所以一旦抵达方法末尾，该关键字便不需要了。可在任何地方从一个方法返回。但假设已指定了一种非void的返回类型，那么无论从何地返回，编译器都会确保我们返回的是正确的类型。

到此为止，大家或许已得到了这样的一个印象：一个程序只是一系列对象的集合，它们的方法将其他对象作为自己的自变量使用，而且将消息发给那些对象。这种说法大体正确，但通过以后的学习，大家还会知道如何在一个方法里作出决策，做一些更细致的基层工作。至于这一章，只需理解消息传送就足够了。

大多数时候，我们直接采用来自标准Java库的组件（部件）即可，它们是与编译器配套提供的。使用这些组件时，没有必要关心冗长的保留域名；举个例子来说，只需象下面这样写一行代码即可：

import java.util.Vector;

它的作用是告诉编译器我们想使用Java的Vector类。然而，util包含了数量众多的类，我们有时希望使用其中的几个，同时不想全部明确地声明它们。为达到这个目的，可使用“*”通配符。如下所示：

import java.util.*;

需导入一系列类时，采用的通常是这个办法。应尽量避免一个一个地导入类。

static关键字

通常，我们创建类时会指出那个类的对象的外观与行为。除非用new创建那个类的一个对象，否则实际上并未得到任何东西。只有执行了new后，才会正式生成数据存储空间，并可使用相应的方法。

但在两种特殊的情形下，上述方法并不堪用。一种情形是只想用一个存储区域来保存一个特定的数据——无论要创建多少个对象，甚至根本不创建对象。另一种情形是我们需要一个特殊的方法，它没有与这个类的任何对象关联。也就是说，即使没有创建对象，也需要一个能调用的方法。为满足这两方面的要求，可使用static（静态）关键字。一旦将什么东西设为static，数据或方法就不会同那个类的任何对象实例联系到一起。所以尽管从未创建那个类的一个对象，仍能调用一个static方法，或访问一些static数据。而在这之前，对于非static数据和方法，我们必须创建一个对象，并用那个对象访问数据或方法。这是由于非static数据和方法必须知道它们操作的具体对象。当然，在正式使用前，由于static方法不需要创建任何对象，所以它们不可简单地调用其他那些成员，同时不引用一个已命名的对象，从而直接访问非static成员或方法（因为非static成员和方法必须同一个特定的对象关联到一起）。有些面向对象的语言使用了“类数据”和“类方法”这两个术语。它们意味着数据和方法只是为作为一个整体的类而存在的，并不是为那个类的任何特定对象。有时，您会在其他一些Java书刊里发现这样的称呼。

为了将数据成员或方法设为static，只需在定义前置和这个关键字即可。例如，下述代码能生成一个static数据成员，并对其初始化：

class StaticTest {

Static int i = 47;

}

现在，尽管我们制作了两个StaticTest对象，但它们仍然只占据StaticTest.i的一个存储空间。这两个对象都共享同样的i。请考察下述代码：

StaticTest st1 = new StaticTest();

StaticTest st2 = new StaticTest();

此时，无论st1.i还是st2.i都有同样的值47，因为它们引用的是同样的内存区域。有两个办法可引用一个static变量。正如上面展示的那样，可通过一个对象命名它，如st2.i。亦可直接用它的类名引用，而这在非静态成员里是行不通的（最好用这个办法引用static变量，因为它强调了那个变量的“静态”本质）。

StaticTest.i++;

其中，++运算符会使变量增值。此时，无论st1.i还是st2.i的值都是48。

类似的逻辑也适用于静态方法。既可象对其他任何方法那样通过一个对象引用静态方法，亦可用特殊的语法格式“类名.方法()”加以引用。静态方法的定义是类似的：

class StaticFun {

static void incr() { StaticTest.i++; }

}

从中可看出，StaticFun的方法incr()使静态数据i增值。通过对象，可用典型的方法调用incr()：

StaticFun sf = new StaticFun();

sf.incr();

或者，由于incr()是一种静态方法，所以可通过它的类直接调用：

StaticFun.incr();

尽管是“静态”的，但只要应用于一个数据成员，就会明确改变数据的创建方式（一个类一个成员，以及每个对象一个非静态成员）。若应用于一个方法，就没有那么戏剧化了。对方法来说，static一项重要的用途就是帮助我们在不必创建对象的前提下调用那个方法。正如以后会看到的那样，这一点是至关重要的——特别是在定义程序运行入口方法main()的时候。和其他任何方法一样，static方法也能创建自己类型的命名对象。所以经常把static方法作为一个“领头羊”使用，用它生成一系列自己类型的“实例”。

2.6 我们的第一个Java程序

最后，让我们正式编一个程序（注释⑤）。它能打印出与当前运行的系统有关的资料，并利用了来自Java标准库的System对象的多种方法。注意这里引入了一种额外的注释样式：“//”。它表示到本行结束前的所有内容都是注释：

// Property.java

import java.util.*;

public class Property {

public static void main(String[] args) {

System.out.println(new Date());

Properties p = System.getProperties();

p.list(System.out);

System.out.println("--- Memory Usage:");

Runtime rt = Runtime.getRuntime();

System.out.println("Total Memory = "

+ rt.totalMemory()

+ " Free Memory = "

+ rt.freeMemory());

}

⑤：在某些编程环境里，程序会在屏幕上一切而过，甚至没机会看到结果。可将下面这段代码置于main()的末尾，用它暂停输出：

try {

Thread.currentThread().sleep(5 * 1000);

} catch(InterruptedException e) {}

它的作用是暂停输出5秒钟。

2.7 注释和嵌入文档

Java里有两种类型的注释。第一种是传统的、C语言风格的注释，是从C++继承而来的。这些注释用一个 “/*” 起头，随后是注释内容，并可跨越多行，最后用一个“/”结束。注意许多程序员在连续注释内容的每一行都用一个`“”`开头，所以经常能看到象下面这样的内容：

/*这是

*一段注释，

*它跨越了多个行

但请记住，进行编译时，/和/之间的所有东西都会被忽略，所以上述注释与下面这段注释并没有什么不同：

/*这是一段注释，

它跨越了多个行*/

第二种类型的注释也起源于C++。这种注释叫作“单行注释”，以一个 “//” 起头，表示这一行的所有内容都是注释。这种类型的注释更常用，因为它书写时更方便。没有必要在键盘上寻找 “/” ，再寻找 “*” （只需按同样的键两次），而且不必在注释结尾时加一个结束标记。

下面便是这类注释的一个例子：

//这是一条单行注释

对于Java语言，最体贴的一项设计就是它并没有打算让人们为了写程序而写程序——人们也需要考虑程序的文档化问题。对于程序的文档化，最大的问题莫过于对文档的维护。若文档与代码分离，那么每次改变代码后都要改变文档，这无疑会变成相当麻烦的一件事情。解决的方法看起来似乎很简单：将代码同文档“链接”起来。为达到这个目的，最简单的方法是将所有内容都置于同一个文件。然而，为使一切都整齐划一，还必须使用一种特殊的注释语法，以便标记出特殊的文档；另外还需要一个工具，用于提取这些注释，并按有价值的形式将其展现出来。这些都是Java必须做到的。

用于提取注释的工具叫作javadoc。javadoc输出的是一个HTML文件，可用自己的Web浏览器查看。该工具允许我们创建和管理单个源文件，并生动生成有用的文档。由于有了jvadoc，所以我们能够用标准的方法创建文档。而且由于它非常方便，所以我们能轻松获得所有Java库的文档。

具体语法

所有javadoc命令都只能出现于 “/**” 注释中。但和平常一样，注释结束于一个 “*/” 。主要通过两种方式来使用javadoc：嵌入的HTML，或使用“文档标记”。其中，“文档标记”（Doc tags）是一些以“@”开头的命令，置于注释行的起始处（但前导的“*”会被忽略）。

有三种类型的注释文档，它们对应于位于注释后面的元素：类、变量或者方法。也就是说，一个类注释正好位于一个类定义之前；变量注释正好位于变量定义之前；而一个方法定义正好位于一个方法定义的前面。如下面这个简单的例子所示：

/**一个类注释*/

public class docTest {

/**一个变量注释*/

public int i;

/**一个方法注释*/

public void f() {}

}

注意javadoc只能为public（公共）和protected（受保护）成员处理注释文档。“private”（私有）和“友好”（详见5章）成员的注释会被忽略，我们看不到任何输出（也可以用-private标记包括private成员）。这样做是有道理的，因为只有public和protected成员才可在文件之外使用，这是客户程序员的希望。然而，所有类注释都会包含到输出结果里。

上述代码的输出是一个HTML文件，它与其他Java文档具有相同的标准格式。因此，用户会非常熟悉这种格式，可在您设计的类中方便地“漫游”。设计程序时，请务必考虑输入上述代码，用javadoc处理一下，观看最终HTML文件的效果如何。