第2章一切都是对象

1第2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：Strings;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：Strings=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创建句柄时，我们希望它同一个新对象连接。通常用new关键字达到这一目的。new的意思是：“把我变成这些对象的一种新类型”。所以在上面的例子中，可以说：Strings=newString(asdf);它不仅指出“将我变成一个新字串”，也通过提供一个初始字串，指出了“如2何生成这个新字串”。当然，字串（String）并非唯一的类型。Java配套提供了数量众多的现成类型。对我们来讲，最重要的就是记住能自行创建类型。事实上，这应是Java程序设计的一项基本操作，是继续本书后余部分学习的基础。2.2.1保存到什么地方程序运行时，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它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Lightweightpersistence的支持。未来的版本甚至可能提供更完整的方案。2.2.2特殊情况：主要类型有一系列类需特别对待；可将它们想象成“基本”、“主要”或者“主”（Primitive）类型，进行程序设计时要频繁用到它们。之所以要特别对待，是由3于用new创建对象（特别是小的、简单的变量）并不是非常有效，因为new将对象置于“堆”里。对于这些类型，Java采纳了与C和C++相同的方法。也就是说，不是用new创建变量，而是创建一个并非句柄的“自动”变量。这个变量容纳了具体的值，并置于堆栈中，能够更高效地存取。Java决定了每种主要类型的大小。就象在大多数语言里那样，这些大小并不随着机器结构的变化而变化。这种大小的不可更改正是Java程序具有很强移植能力的原因之一。主类型大小最小值最大值封装器类型boolean1位--Booleanchar16位Unicode0Unicode2的16次方-1Characterbyte8位-128+127Byte（注释①）short16位-2的15次方+2的15次方-1Short（注释①）int32位-2的31次方+2的31次方-1Integerlong64位-2的63次方+2的63次方-1Longfloat32位IEEE754IEEE754Floatdouble64位IEEE754IEEE754DoubleVoid---Void（注释①）①：到Java1.1才有，1.0版没有。数值类型全都是有符号（正负号）的，所以不必费劲寻找没有符号的类型。主数据类型也拥有自己的“封装器”（wrapper）类。这意味着假如想让堆内一个非主要对象表示那个主类型，就要使用对应的封装器。例如：charc='x';CharacterC=newCharacter('c');也可以直接使用：CharacterC=newCharacter('x');这样做的原因将在以后的章节里解释。1.高精度数字Java1.1增加了两个类，用于进行高精度的计算：BigInteger和BigDecimal。尽管它们大致可以划分为“封装器”类型，但两者都没有对应的“主类型”。这两个类都有自己特殊的“方法”，对应于我们针对主类型执行的操作。也就是说，能对int或float做的事情，对BigInteger和BigDecimal一样可以做。只是必须使用方法调用，不能使用运算符。此外，由于牵涉更多，所以运算速度会慢一些。我们牺牲了速度，但换来了精度。BigInteger支持任意精度的整数。也就是说，我们可精确表示任意大小的整数值，同时在运算过程中不会丢失任何信息。BigDecimal支持任意精度的定点数字。例如，可用它进行精确的币值计算。至于调用这两个类时可选用的构建器和方法，请自行参考联机帮助文档。2.2.3Java的数组4几乎所有程序设计语言都支持数组。在C和C++里使用数组是非常危险的，因为那些数组只是内存块。若程序访问自己内存块以外的数组，或者在初始化之前使用内存（属于常规编程错误），会产生不可预测的后果（注释②）。②：在C++里，应尽量不要使用数组，换用标准模板库（StandardTemplateLibrary）里更安全的容器。Java的一项主要设计目标就是安全性。所以在C和C++里困扰程序员的许多问题都未在Java里重复。一个Java可以保证被初始化，而且不可在它的范围之外访问。由于系统自动进行范围检查，所以必然要付出一些代价：针对每个数组，以及在运行期间对索引的校验，都会造成少量的内存开销。但由此换回的是更高的安全性，以及更高的工作效率。为此付出少许代价是值得的。创建对象数组时，实际创建的是一个句柄数组。而且每个句柄都会自动初始化成一个特殊值，并带有自己的关键字：null（空）。一旦Java看到null，就知道该句柄并未指向一个对象。正式使用前，必须为每个句柄都分配一个对象。若试图使用依然为null的一个句柄，就会在运行期报告问题。因此，典型的数组错误在Java里就得到了避免。也可以创建主类型数组。同样地，编译器能够担保对它的初始化，因为会将那个数组的内存划分成零。数组问题将在以后的章节里详细讨论。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。2.3.1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：{intx=12;/*onlyxavailable*/{intq=96;/*bothx&qavailable*/}/*onlyxavailable*//*q“outofscope”*/}73页程序5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：{intx=12;{intx=96;/*illegal*/}}74页上程序编译器会认为变量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。2.3.2对象的作用域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：{Strings=newString(astring);}/*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。