计算机程序的思维逻辑 (13) - 类

类

程序主要就是数据以及对数据的操作，为方便理解和操作，高级语言使用数据类型这个概念，不同的数据类型有不同的特征和操作，Java定义了八种基本数据类型，其中，四种整形byte/short/int/long，两种浮点类型float/double，一种真假类型boolean，一种字符类型char，其他类型的数据都用类这个概念表达。

前两节我们暂时将类看做函数的容器，在某些情况下，类也确实基本上只是函数的容器，但类更多表示的是自定义数据类型，我们先从容器的角度，然后从自定义数据类型的角度谈谈类。

函数容器

我们看个例子，Java API中的类Math，它里面主要就包含了若干数学函数，下表列出了其中一些：

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，必须通过实例或者叫对象（待会介绍）调用，而类方法可以直接通过类名进行调用的，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相对的有private，如果是private，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，调用者可以清楚的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的就可以了。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。

除了Math类，我们再来看一个例子Arrays，Arrays里面包含很多与数组操作相关的函数，下表列出了其中一些：

这里将类看做函数的容器，更多的是从语言实现的角度看，从概念的角度看，Math和Arrays也可以看做是自定义数据类型，分别表示数学和数组类型，其中的public static函数可以看做是类型能进行的操作。接下来让我们更为详细的讨论自定义数据类型。

自定义数据类型

我们将类看做自定义数据类型，所谓自定义数据类型就是除了八种基本类型以外的其他类型，用于表示和处理基本类型以外的其他数据。

一个数据类型由其包含的属性以及该类型可以进行的操作组成，属性又可以分为是类型本身具有的属性，还是一个具体数据具有的属性，同样，操作也可以分为是类型本身可以进行的操作，还是一个具体数据可以进行的操作。

这样，一个数据类型就主要由四部分组成：

类型本身具有的属性，通过类变量体现
类型本身可以进行的操作，通过类方法体现
类型实例具有的属性，通过实例变量体现
类型实例可以进行的操作，通过实例方法体现

不过，对于一个具体类型，每一个部分不一定都有，Arrays类就只有类方法。

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。

类方法我们上面已经看过了，Math和Arrays类中定义的方法就是类方法，这些方法的修饰符必须有static。下面解释下类变量，实例变量和实例方法。

类变量

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：

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π。与类方法一样，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相对的主要也是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，比如说，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修饰符吧。

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。

实例变量和实例方法

实例字面意思就是一个实际的例子，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做一个类型，那"老马说编程"订阅号就是一个实例，订阅号的头像、功能介绍、发布的文章可以看做实例变量，而修改头像、修改功能介绍、发布新文章可以看做实例方法。与基本类型对比，int a;这个语句，int就是类型，而a就是实例。

接下来，我们通过定义和使用类，来进一步理解自定义数据类型。

定义第一个类 我们定义一个简单的类，表示在平面坐标轴中的一个点，代码如下：

我们来解释一下：

public class Point

表示类型的名字是Point，是可以被外部公开访问的。这个public修饰似乎是多余的，不能被外部访问还能有什么用？在这里，确实不能用private修饰Point。但修饰符可以没有（即留空），表示一种包级别的可见性，我们后续章节介绍，另外，类可以定义在一个类的内部，这时可以使用private修饰符，我们也在后续章节介绍。

public int x;
public int y;

定义了两个实例变量，x和y，分别表示x坐标和y坐标，与类变量类似，修饰符也有public或private修饰符，表示含义类似，public表示可被外部访问，而private表示私有，不能直接被外部访问，实例变量不能有static修饰符。

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

定义了实例方法distance，表示该点到坐标原点的距离。该方法可以直接访问实例变量x和y，这是实例方法和类方法的最大区别，实例方法和类方法都可以有参数、操作、返回值，但类方法只能操作参数和方法内定义的变量，而实例方法可以直接操作实例变量，可以读也可以改。

实例方法直接访问实例变量，到底是什么意思呢？其实，在实例方法中，有一个隐含的参数，这个参数就是当前操作的实例自己，直接操作实例变量，实际也需要通过参数进行。后续我们还会进一步解释。

使用第一个类

定义了类本身和定义了一个函数类似，本身不会做什么事情，不会分配内存，也不会执行代码。方法要执行需要被调用，而实例方法被调用，首先需要一个实例，实例也称为对象，我们可能会交替使用。下面的代码演示了如何使用：

我们解释一下：

Point p = new Point();

这个语句包含了Point类型的变量声明和赋值，它可以分为两部分：

Point p; 

p = new Point()；

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。因为这种变量和数组变量本身不存储数据，而只是存储实际内容的位置，它们也都称为引用类型的变量。

p = new Point();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：

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。
给实例变量设置默认值，int类型默认值为0。

与方法内定义的局部变量不同，在创建对象的时候，所有的实例变量都会分配一个默认值，这与在创建数组的时候是类似的，数值类型变量的默认值是0，boolean是false, char是'u0000'，引用类型变量都是null，null是一个特殊的值，表示不指向任何对象。这些默认值可以修改，我们待会介绍。

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

给对象的变量赋值，语法形式是：对象变量名.成员名。

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

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。实例方法内对实例变量的操作，实际操作的就是p这个对象的数据。

我们在介绍基本类型的时候，是先定义数据，然后赋值，最后是操作，自定义类型与此类似：

Point p = new Point(); 是定义数据并设置默认值
p.x = 2; p.y = 3; 是赋值
p.distance() 是数据的操作

可以看出，对实例变量和实例方法的访问都通过对象进行，通过对象来访问和操作其内部的数据是一种基本的面向对象思维。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，而只应该通过对象的方法对实例变量进行操作，原因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。

修改变量默认值

之前我们说，实例变量都有一个默认值，如果希望修改这个默认值，可以在定义变量的同时就赋值，或者将代码放入初始化代码块中，代码块用{}包围，如下面代码所示：

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

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。

静态变量也可以这样初始化：

static private int STATIC_ONE = 1;
static private int STATIC_TWO;

{
    STATIC_TWO = 2;    
}

修改类 - 实例变量改为private

上面我们说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，通过实例方法来操作变量，代码如下：

这个定义中，我们加了四个方法，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。前面我们提到，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，在这个例子中，两个变量名都叫x，则需要通过加上this来消除歧义。

这四个方法看上去是非常多余的，直接访问变量不是更简洁吗？而且上节我们也说过，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。

使用这个类的代码如下：

将对实例变量的直接访问改为了方法调用。

修改类 - 引入构造方法

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，我们先看下代码，在Point类定义中增加如下代码：

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：

名称是固定的，与类名相同。这也容易理解，靠这个用户和Java系统就都能容易的知道哪些是构造方法。
没有返回值，也不能有返回值。这个规定大概是因为返回值没用吧。

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，这个规定应该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：

Point p = new Point(2,3);

这个调用就可以将实例变量x和y的值设为2和3。前面我们介绍 new Point()的时候说，它至少做了两件事，一个是分配内存，另一个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，可以更为简洁的对实例变量进行赋值。

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有时候帮助自动生成，有时候不生成呢？你在没有定义任何构造方法的时候，Java认为你不需要，所以就生成一个空的以被new过程调用，你定义了构造方法的时候，Java认为你知道自己在干什么，认为你是有意不想要不带参数的构造方法的，所以不会帮你生成。

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？大概可能有这么几种场景：

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。
能创建类的实例，但只能被类的的静态方法调用。有一种常用的场景，即类的对象有但是只能有一个，即单例模式（后续文章介绍），在这个场景中，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。
只是用来被其他多个构造方法调用，用于减少重复代码。

关键字小结

本节我们提到了多个关键字，这里汇总一下：

public: 可以修饰类、类方法、类变量、实例变量、实例方法、构造方法，表示可被外部访问。
private: 可以修饰类、类方法、类变量、实例变量、实例方法、构造方法，表示不可以被外部访问，只能在类内被使用。
static: 修饰类变量和类方法，它也可以修饰内部类（后续章节介绍）。
this：表示当前实例，可以用于调用其他构造方法，访问实例变量，访问实例方法。
final: 修饰类变量、实例变量，表示只能被赋值一次，final也可以修饰实例方法（后续章节介绍）。

类和对象的生命周期

类

在程序运行的时候，当第一次通过new创建一个类的对象的时候，或者直接通过类名访问类变量和类方法的时候，Java会将类加载进内存，为这个类型分配一块空间，这个空间会包括类的定义，它有哪些变量，哪些方法等，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，一般不会释放，直到程序结束。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。

对象

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new一次，对象就会产生一个，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，具体的说，就是已加载的类的类变量，和栈中所有的变量。

小结

本节我们主要从自定义数据类型的角度介绍了类，谈了如何定义类，以及如何创建对象，如何使用类。自定义类型由类变量、类方法、实例变量和实例方法组成，为方便对实例变量赋值，介绍了构造方法。本节引入了多个关键字，我们介绍了这些关键字的含义。最后我们介绍了类和对象的生命周期。

通过类实现自定义数据类型，封装该类型的数据所具有的属性和操作，隐藏实现细节，从而在更高的层次上（类和对象的层次，而非基本数据类型和函数的层次）考虑和操作数据，是计算机程序解决复杂问题的一种重要的思维方式。

本节介绍的Point类，其属性只有基本数据类型，下节我们介绍如何通过类的组合以表达更为复杂的概念。