類

上節我們介紹了函數調用的基本原理，本節和接下來幾節，我們探索類的世界。

程序主要就是數據以及對數據的操作，為方便理解和操作，高級語言使用數據類型這個概念，不同的數據類型有不同的特征和操作，Java定義了八種基本數據類型，其中，四種整形byte/short/int/long，兩種浮點類型float/double，一種真假類型boolean，一種字符類型char，其他類型的數據都用類這個概念表達。

前兩節我們暫時將類看做函數的容器，在某些情況下，類也確實基本上只是函數的容器，但類更多表示的是自定義數據類型，我們先從容器的角度，然後從自定義數據類型的角度談談類。

函數容器

我們看個例子，Java API中的類Math，它裏面主要就包含了若幹數學函數，下表列出了其中一些：

使用這些函數，直接在前面加Math.即可，例如Math.abs(-1)返回1。

這些函數都有相同的修飾符，public static。

static表示類方法，也叫靜態方法，與類方法相對的是實例方法。實例方法沒有static修飾符，必須通過實例或者叫對象（待會介紹）調用，而類方法可以直接通過類名進行調用的，不需要創建實例。

public表示這些函數是公開的，可以在任何地方被外部調用。與public相對的有private， 如果是private，表示私有，這個函數只能在同一個類內被別的函數調用，而不能被外部的類調用。在Math類中，有一個函數 Random initRNG()就是private的，這個函數被public的方法random()調用以生成隨機數，但不能在Math類以外的地方被調用。

將函數聲明為private可以避免該函數被外部類誤用，調用者可以清楚的知道哪些函數是可以調用的，哪些是不可以調用的。類實現者通過private函數封裝和隱藏內部實現細節，而調用者只需要關心public的就可以了。可以說，通過private封裝和隱藏內部實現細節，避免被誤操作，是計算機程序的一種基本思維方式。

除了Math類，我們再來看一個例子Arrays，Arrays裏面包含很多與數組操作相關的函數，下表列出了其中一些：

這裏將類看做函數的容器，更多的是從語言實現的角度看，從概念的角度看，Math和Arrays也可以看做是自定義數據類型，分別表示數學和數組類型，其中的public static函數可以看做是類型能進行的操作。接下來讓我們更為詳細的討論自定義數據類型。

自定義數據類型

我們將類看做自定義數據類型，所謂自定義數據類型就是除了八種基本類型以外的其他類型，用於表示和處理基本類型以外的其他數據。

一個數據類型由其包含的屬性以及該類型可以進行的操作組成，屬性又可以分為是類型本身具有的屬性，還是一個具體數據具有的屬性，同樣，操作也可以分為是類型本身可以進行的操作，還是一個具體數據可以進行的操作。

這樣，一個數據類型就主要由四部分組成：

• 類型本身具有的屬性，通過類變量體現
• 類型本身可以進行的操作，通過類方法體現
• 類型實例具有的屬性，通過實例變量體現
• 類型實例可以進行的操作，通過實例方法體現

不過，對於一個具體類型，每一個部分不一定都有，Arrays類就只有類方法。

類變量和實例變量都叫成員變量，也就是類的成員，類變量也叫靜態變量或靜態成員變量。類方法和實例方法都叫成員方法，也都是類的成員，類方法也叫靜態方法。

類方法我們上面已經看過了，Math和Arrays類中定義的方法就是類方法，這些方法的修飾符必須有static。下面解釋下類變量，實例變量和實例方法。

類變量

類型本身具有的屬性通過類變量體現，經常用於表示一個類型中的常量，比如Math類，定義了兩個數學中常用的常量，如下所示：

public static final double E = 2.7182818284590452354;
public static final double PI = 3.14159265358979323846;

E表示數學中自然對數的底數，自然對數在很多學科中有重要的意義，PI表示數學中的圓周率π。與類方法一樣，類變量可以直接通過類名訪問，如Math.PI。

這兩個變量的修飾符也都有public static，public表示外部可以訪問，static表示是類變量。與public相對的主要也是private，表示變量只能在類內被訪問。與static相對的是實例變量，沒有static修飾符。

這裏多了一個修飾符final，final 在修飾變量的時候表示常量，即變量賦值後就不能再修改了。使用final可以避免誤操作，比如說，如果有人不小心將Math.PI的值改了，那麽很多相關的計算就會出錯。另外，Java編譯器可以對final變量進行一些特別的優化。所以，如果數據賦值後就不應該再變了，就加final修飾符吧。

表示類變量的時候，static修飾符是必需的，但public和final都不是必需的。

實例變量和實例方法

實例字面意思就是一個實際的例子，實例變量表示具體的實例所具有的屬性，實例方法表示具體的實例可以進行的操作。如果將微信訂閱號看做一個類型，那"老馬說 編程"訂閱號就是一個實例，訂閱號的頭像、功能介紹、發布的文章可以看做實例變量，而修改頭像、修改功能介紹、發布新文章可以看做實例方法。與基本類型對 比，int a;這個語句，int就是類型，而a就是實例。

接下來，我們通過定義和使用類，來進一步理解自定義數據類型。

定義第一個類
我們定義一個簡單的類，表示在平面坐標軸中的一個點，代碼如下：

class Point {
    public int x;
    public int y;
    
    public double distance(){
        return Math.sqrt(x*x+y*y);
    }
}

我們來解釋一下：

public class Point

表示類型的名字是Point，是可以被外部公開訪問的。這個public修飾似乎是多余的，不能被外部訪問還能有什麽用？在這裏，確實不能用private 修飾Point。但修飾符可以沒有（即留空），表示一種包級別的可見性，我們後續章節介紹，另外，類可以定義在一個類的內部，這時可以使用private 修飾符，我們也在後續章節介紹。

public int x;
public int y;

定義了兩個實例變量，x和y，分別表示x坐標和y坐標，與類變量類似，修飾符也有public或private修飾符，表示含義類似，public表示可被外部訪問，而private表示私有，不能直接被外部訪問，實例變量不能有static修飾符。

public double distance(){
    return Math.sqrt(x*x+y*y);
}

定義了實例方法distance，表示該點到坐標原點的距離。該方法可以直接訪問實例變量x和y，這是實例方法和類方法的最大區別。實例方法直接訪問實例變量，到底是什麽意思呢？其實，在實例方法中，有一個隱含的參數，這個參數就是當前操作的實例自己，直接操作實例變量，實際也需要通過參數進行。實例方法和類方法更多的區別如下所示：

• 類方法只能訪問類變量，但不能訪問實例變量，可以調用其他的類方法，但不能調用實例方法。
• 實例方法既能訪問實例變量，也可以訪問類變量，既可以調用實例方法，也可以調用類方法。

關於實例方法和類方法更多的細節，後續會進一步介紹。

使用第一個類

定義了類本身和定義了一個函數類似，本身不會做什麽事情，不會分配內存，也不會執行代碼。方法要執行需要被調用，而實例方法被調用，首先需要一個實例，實例也稱為對象，我們可能會交替使用。下面的代碼演示了如何使用：

public static void main(String[] args) {
    Point p = new Point();
    p.x = 2;
    p.y = 3;
    System.out.println(p.distance());
}

我們解釋一下：

Point p = new Point();

這個語句包含了Point類型的變量聲明和賦值，它可以分為兩部分：

1 Point p;
2 p = new Point()；

Point p聲明了一個變量，這個變量叫p，是Point類型的。這個變量和數組變量是類似的，都有兩塊內存，一塊存放實際內容，一塊存放實際內容的位置。聲明變量本身只會分配存放位置的內存空間，這塊空間還沒有指向任何實際內容。因為這種變量和數組變量本身不存儲數據，而只是存儲實際內容的位置，它們也都稱為引用類型的變量。

p = new Point();創建了一個實例或對象，然後賦值給了Point類型的變量p，它至少做了兩件事：

1. 分配內存，以存儲新對象的數據，對象數據包括這個對象的屬性，具體包括其實例變量x和y。
2. 給實例變量設置默認值，int類型默認值為0。

與方法內定義的局部變量不同，在創建對象的時候，所有的實例變量都會分配一個默認值，這與在創建數組的時候是類似的，數值類型變量的默認值是 0，boolean是false, char是‘\u0000‘，引用類型變量都是null，null是一個特殊的值，表示不指向任何對象。這些默認值可以修改，我們待會介紹。

p.x = 2;
p.y = 3;

給對象的變量賦值，語法形式是：對象變量名.成員名。

System.out.println(p.distance());

調用實例方法distance，並輸出結果，語法形式是：對象變量名.方法名。實例方法內對實例變量的操作，實際操作的就是p這個對象的數據。

我們在介紹基本類型的時候，是先定義數據，然後賦值，最後是操作，自定義類型與此類似：

• Point p = new Point(); 是定義數據並設置默認值
• p.x = 2; p.y = 3; 是賦值
• p.distance() 是數據的操作

可以看出，對實例變量和實例方法的訪問都通過對象進行，通過對象來訪問和操作其內部的數據是一種基本的面向對象思維。本例中，我們通過對象直接操作了其內部數據x和y，這是一個不好的習慣，一般而言，不應該將實例變量聲明為public，而只應該通過對象的方法對實例變量進行操作，原因也是為了減少誤操作，直接訪問變量沒有辦法進行參數檢查和控制，而通過方法修改，可以在方法中進行檢查。

修改變量默認值

之前我們說，實例變量都有一個默認值，如果希望修改這個默認值，可以在定義變量的同時就賦值，或者將代碼放入初始化代碼塊中，代碼塊用{}包圍，如下面代碼所示：

int x = 1;
int y;
{
    y = 2;
}

x的默認值設為了1，y的默認值設為了2。在新建一個對象的時候，會先調用這個初始化，然後才會執行構造方法中的代碼。

靜態變量也可以這樣初始化：

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

STATIC_TWO=2;語句外面包了一個 static {}，這叫靜態初始化代碼塊。靜態初始化代碼塊在類加載的時候執行，這是在任何對象創建之前，且只執行一次。

修改類 - 實例變量改為private

上面我們說一般不應該將實例變量聲明為public，下面我們修改一下類的定義，將實例變量定義為private，通過實例方法來操作變量，代碼如下：

class Point {
    private int x;
    private int y;

    public void setX(int x) {
        this.x = x;
    }
    
    public void setY(int y) {
        this.y = y;
    }
    
    public int getX() {
        return x;
    }
    
    public int getY() {
        return y;
    }
    
    public double distance() {
        return Math.sqrt(x * x + y * y);
    }
}

這個定義中，我們加了四個方法，setX/setY用於設置實例變量的值，getX/getY用於獲取實例變量的值。

這裏面需要介紹的是this這個關鍵字，this表示當前實例， 在語句this.x=x;中，this.x表示實例變量x，而右邊的x表示方法參數中的x。前面我們提到，在實例方法中，有一個隱含的參數，這個參數就是this，沒有歧義的情況下，可以直接訪問實例變量，在這個例子中，兩個變量名都叫x，則需要通過加上this來消除歧義。

這四個方法看上去是非常多余的，直接訪問變量不是更簡潔嗎？而且上節我們也說過，函數調用是有成本的。在這個例子中，意義確實不太大，實際上，Java編譯器一般也會將對這幾個方法的調用轉換為直接訪問實例變量，而避免函數調用的開銷。但在很多情況下，通過函數調用可以封裝內部數據，避免誤操作，我們一般還是不將成員變量定義為public。

使用這個類的代碼如下：

public static void main(String[] args) {
    Point p = new Point();
    p.setX(2);
    p.setY(3);
    System.out.println(p.distance());
}

將對實例變量的直接訪問改為了方法調用。

修改類 - 引入構造方法

在初始化對象的時候，前面我們都是直接對每個變量賦值，有一個更簡單的方式對實例變量賦初值，就是構造方法，我們先看下代碼，在Point類定義中增加如下代碼：

public Point(){
    this(0,0);
}

public Point(int x, int y){
    this.x = x;
    this.y = y;
}

這兩個就是構造方法，構造方法可以有多個。不同於一般方法，構造方法有一些特殊的地方：

• 名稱是固定的，與類名相同。這也容易理解，靠這個用戶和Java系統就都能容易的知道哪些是構造方法。
• 沒有返回值，也不能有返回值。這個規定大概是因為返回值沒用吧。

與普通方法一樣，構造方法也可以重載。第二個構造方法是比較容易理解的，使用this對實例變量賦值。

我們解釋下第一個構造方法，this(0,0)的意思是調用第二個構造方法，並傳遞參數0,0，我們前面解釋說this表示當前實例，可以通過this訪問實例變量，這是this的第二個用法，用於在構造方法中調用其他構造方法。

這個this調用必須放在第一行，這個規定應該也是為了避免誤操作，構造方法是用於初始化對象的，如果要調用別的構造方法，先調別的，然後根據情況自己再做調整，而如果自己先初始化了一部分，再調別的，自己的修改可能就被覆蓋了。

這個例子中，不帶參數的構造方法通過this(0,0)又調用了第二個構造方法，這個調用是多余的，因為x和y的默認值就是0，不需要再單獨賦值，我們這裏主要是演示其語法。

我們來看下如何使用構造方法，代碼如下：

Point p = new Point(2,3);

這個調用就可以將實例變量x和y的值設為2和3。前面我們介紹 new Point()的時候說，它至少做了兩件事，一個是分配內存，另一個是給實例變量設置默認值，這裏我們需要加上一件事，就是調用構造方法。調用構造方法是new操作的一部分。

通過構造方法，可以更為簡潔的對實例變量進行賦值。

默認構造方法

每個類都至少要有一個構造方法，在通過new創建對象的過程中會被調用。但構造方法如果沒什麽操作要做，可以省略。Java編譯器會自動生成一個默認構造方 法，也沒有具體操作。但一旦定義了構造方法，Java就不會再自動生成默認的，具體什麽意思呢？在這個例子中，如果我們只定義了第二個構造方法（帶參數的），則下面語句：

Point p = new Point();

就會報錯，因為找不到不帶參數的構造方法。

為什麽Java有時候幫助自動生成，有時候不生成呢？你在沒有定義任何構造方法的時候，Java認為你不需要，所以就生成一個空的以被new過程調用，你定義了構造方法的時候，Java認為你知道自己在幹什麽，認為你是有意不想要不帶參數的構造方法的，所以不會幫你生成。

私有構造方法

構造方法可以是私有方法，即修飾符可以為private， 為什麽需要私有構造方法呢？大概可能有這麽幾種場景：

• 不能創建類的實例，類只能被靜態訪問，如Math和Arrays類，它們的構造方法就是私有的。
• 能創建類的實例，但只能被類的的靜態方法調用。有一種常用的場景，即類的對象有但是只能有一個，即單例模式（後續文章介紹），在這個場景中，對象是通過靜態方法獲取的，而靜態方法調用私有構造方法創建一個對象，如果對象已經創建過了，就重用這個對象。
• 只是用來被其他多個構造方法調用，用於減少重復代碼。

關鍵字小結

本節我們提到了多個關鍵字，這裏匯總一下：

• public:可以修飾類、類方法、類變量、實例變量、實例方法、構造方法，表示可被外部訪問。
• private:可以修飾類、類方法、類變量、實例變量、實例方法、構造方法，表示不可以被外部訪問，只能在類內被使用。
• static: 修飾類變量和類方法，它也可以修飾內部類（後續章節介紹）。
• this：表示當前實例，可以用於調用其他構造方法，訪問實例變量，訪問實例方法。
• final: 修飾類變量、實例變量，表示只能被賦值一次，final也可以修飾實例方法和局部變量（後續章節介紹）。
  

類和對象的生命周期

類

在程序運行的時候，當第一次通過new創建一個類的對象的時候，或者直接通過類名訪問類變量和類方法的時候，Java會將類加載進內存，為這個類型分配一塊空間，這個空間會包括類的定義，它有哪些變量，哪些方法等，同時還有類的靜態變量，並對靜態變量賦初始值。後續文章會進一步介紹有關細節。

類加載進內存後，一般不會釋放，直到程序結束。一般情況下，類只會加載一次，所以靜態變量在內存中只有一份。

對象

當通過new創建一個對象的時候，對象產生，在內存中，會存儲這個對象的實例變量值，每new一次，對象就會產生一個，就會有一份獨立的實例變量。

每個對象除了保存實例變量的值外，可以理解還保存著對應類型即類的地址，這樣，通過對象能知道它的類，訪問到類的變量和方法代碼。

實例方法可以理解為一個靜態方法，只是多了一個參數this，通過對象調用方法，可以理解為就是調用這個靜態方法，並將對象作為參數傳給this。

對象的釋放是被Java用垃圾回收機制管理的，大部分情況下，我們不用太操心，當對象不再被使用的時候會被自動釋放。

具體來說，對象和數組一樣，有兩塊內存，保存地址的部分分配在棧中，而保存實際內容的部分分配在堆中。棧中的內存是自動管理的，函數調用入棧就會分配，而出棧就會釋放。

堆中的內存是被垃圾回收機制管理的，當沒有活躍變量指向對象的時候，對應的堆空間就可能被釋放，具體釋放時間是Java虛擬機自己決定的。活躍變量，具體的說，就是已加載的類的類變量，和棧中所有的變量。

小結

本 節我們主要從自定義數據類型的角度介紹了類，談了如何定義類，以及如何創建對象，如何使用類。自定義類型由類變量、類方法、實例變量和實例方法組成，為方 便對實例變量賦值，介紹了構造方法。本節引入了多個關鍵字，我們介紹了這些關鍵字的含義。最後我們介紹了類和對象的生命周期。

通過類實現自定義數據類型，封裝該類型的數據所具有的屬性和操作，隱藏實現細節，從而在更高的層次上（類和對象的層次，而非基本數據類型和函數的層次）考慮和操作數據，是計算機程序解決復雜問題的一種重要的思維方式。

本節介紹的Point類，其屬性只有基本數據類型，下節我們介紹類的組合，以表達更為復雜的概念。

【轉載】計算機程序的思維邏輯 (13) - 類