9. 对象和类

9.1 为对象定义类

类为对象定义属性和行为。

面向对象程序设计（OOP) 就是使用对象进行程序设计。对象（object) 代表现实世界中可以明确标识的一个实体。例如：一个学生、一张桌子、一个圆、一个按钮甚至一笔贷款都可以看作是一个对象。每个对象都有自己独特的标识、状态和行为。

一个对象的状态（state，也称为特征（property) 或属性（attribute)) 是由具有当前值的数据域来表示的。例如：圆对象具有一个数据域 radius, 它是标识圆的属性。一个矩形对象具有数据域 width 和 height, 它们都是描述矩形的属性。

— 个对象的行为（behavior, 也称为动作（action))是由方法定义的。调用对象的一个方法就是要求对象完成一个动作。例如：可以为圆对象定义一个名为 getAreaO 和 getPerimeter( ) 的方法。圆对象可以调用 getArea() 返回圆的面积，调用 getPerimeter( ) 返回它的周长。还可以定义 setRadius(radius) 方法。圆对象可以调用这个方法来修改它的半径。

使用一个通用类来定义同一类型的对象。类是一个模板、蓝本或者说是合约，用来定义对象的数据域是什么以及方法是做什么的。一个对象是类的一个实例。可以从一个类中创建多个实例。创建实例的过程称为实例化（instantiation)。对象（object) 和实例（instance)经常是可以互换的。类和对象之间的关系类似于苹果派配方和苹果派之间的关系。可以用一种配方做出任意多的苹果派来。显示名为 Circle 的类和它的三个对象。

Java 类使用变量定义数据域，使用方法定义动作。除此之外，类还提供了一种称为构造方法（constructor) 的特殊类型的方法，调用它可以创建一个新对象。构造方法本身是可以完成任何动作的，但是设计构造方法是为了完成初始化动作，例如：初始化对象的数据域。

9.2 使用构造方法构造对象

构造方法在使用 new 操作符创建对象的时候被调用。

构造方法是一种特殊的方法。它们有以下三个特殊性：

构造方法必须具备和所在类相同的名字。
构造方法没有返回值类型，甚至连 void 也没有。
构造方法是在创建一个对象使用 new 操作符时调用的。构造方法的作用是初始化对象。

构造方法具有和定义它的类完全相同的名字。和所有其他方法一样，构造方法也可以重载（也就是说，可以有多个同名的构造方法，但它们要有不同的签名），这样更易于用不同的初始数据值来构造对象。

一个常见的错误就是将关键字 void 放在构造方法的前面。例如：

public void Circle() {
}

在这种情况下，Circle( )是一个方法，而不是构造方法。

构造方法是用来构造对象的。为了能够从一个类构造对象，使用 new 操作符调用这个类的构造方法，如下所示：

new ClassName(arguments);

例如：new Circle( )使用Circle 类中定义的第一个构造方法创建一个 Circle 对象。new Circle(25)调用 Circle 类中定义的第二个构造方法创建一个 Circle 对象。

通常，一个类会提供一个没有参数的构造方法（例如：Circle( ) )。这样的构造方法称为无参构造方法（no - arg 或 no - argument constructor)。— 个类可以不定义构造方法。在这种情况下，类中隐含定义一个方法体为空的无参构造方法。这个构造方法称为默认构造方法（default constructor)，当且仅当类中没有明确定义任何构造方法时才会自动提供它。

9.3 通过引用变量访问对象

9.3.1 引用变量和引用类型

对象是通过对象引用变量（reference variable)来访问的，该变量包含对对象的引用，使用如下语法格式声明这样的变量：

ClassName objectRefVar;

本质上来说，一个类是一个程序员定义的类型。类是一种引用类型（reference type),这意味着该类类型的变量都可以引用该类的一个实例。下面的语句声明变量 myCircle 的类型是 Circle 类型：

Circle myCircle;

变量 myCircle 能够引用一个 Circle 对象。下面的语句创建一个对象，并且将它的引用赋给变量 myCircle:

myCircle = new Circle();

采用如下所示的语法，可以写一条包括声明对象引用变量、创建对象以及将对象的引用赋值给这个变量的语句。

ClassName objectRefVar = new ClassNaroe():

下面是一个例子：

Circle myCircle = new Circle();

变量 myCircle中放的是对 Circle 对象的一个引用。

注意：从表面上看，对象引用变量中似乎存放了一个对象，但事实上，它只是包含了对该对象的引用。严格地讲，对象引用变量和对象是不同的，但是大多數情况下，这种差异是可以忽略的。因此，可以简单地说 myCircle 是一个 Circle 对象，而不用冗长地描述说， myCi rcle 是一个包含对 Circle 对象引用的变量。

注意：在 Java 中，数组被看作是对象。數组是用 new 操作符创建的。一个数组变量实际上是一个包含数组引用的变量。

9.3.2 访问对象的数据和方法

在面向对象编程中，对象成员可以引用该对象的数据域和方法。在创建一个对象之后，它的数据和方法可以使用点操作符（）来访问和调用，该操作符也称为对象成员访问操作符 (object member access operator)：

objectRefVar.dataField 引用对象的数据域。
objectRefVar.method(arguments)调用对象的方法。

例如：myCircle.radius引用 myCircle的半径，而 myCircle.getArea( ) 调用 myCircle的 getArea 方法。方法作为对象上的操作被调用。

数据域 radius 称作实例变量（ instance variable), 因为它依赖于某个具体的实例。基于同样的原因，getArea 方法称为实例方法（ instance method), 因为只能在具体的实例上调用它。调用对象上的实例方法的过程称为调用对象（calling object)。

警告：回想一下，我们曾经使用过 Math.methodName (参数）（例如：Math.pow(3,2.5) 来调用 Math 类中的方法。那么能否用 Circle.getAreaO 来调用 getArea 方法呢？答案是不能。Math 类中的所有方法都是用关键字 static 定义的静态方法。但是，getArea()是实例方法，因此它是非静态的。它必须使用 objectRefVar.methodName(参教）的方式（例如：myCircle.getAreaO )从对象调用。

注意：通常，我们创建一个对象，然后将它赋值给一个变量，之后就可以使用这个变量来引用对象。有时候，一个对象在创建之后并不需要引用。在这种情况下，可以创建一个对象，而并不将它明确地赋值给一个变量，如下所示：

new Circle():

或者

System.out.println("Area is " + new Circle(5).getArea());

前面的语句创建了一个 Circle 对象。后面的语句创建了一个 Circle 对象，然后调用它的 getArea 方法返回其面积。这种方式创建的对象称为匿名对象（anonymous object)。

9.3.3 引用数据域和 null 值

数据域也可能是引用型的。例如：下面的 Student 类包含一个 String 类型的 name 数据域，String 是一个预定义的 Java 类。

class Student {String name; // name has the default value nullint age; // age has the default value 0boolean isScienceMajor;// isScienceMajor has default value falsechar gender; // gender has default value '\u00001
}

如果一个引用类型的数据域没有引用任何对象，那么这个数据域就有一个特殊的 Java 值 null 。null 同 true 和 false — 样都是一个直接量。true 和 false 是 boolean 类型直接量，而 mill 是引用类型直接量。

引用类型数据域的默认值是 rum, 数值类型数据域的默认值是 0, boolean 类型数据域的默认值是 false, 而 char 类型数据域的默认值是 '\u0000'。但是，Java 没有给方法中的局部变置赋默认值。下面的代码显示 Student 对象中数据域 name、age、isScienceMajor 和 gender 的默认值：

class Test {public static void main(String[] args){Student student = new Student();System.out.println("name?" + student.name);System.out.println("age?" + student.age);System.out.println("isScienceMajor?" + student.isScienceMajor);System.out.println("gender?" + student.gender);}
}

下面代码中的局部变量 X 和 y 都没有被初始化，所以它会出现编译错误：

class Test {public static void main(String[] args){int x;// x has no default valueString y;// y has no default valueSystem.out.println("x is " + x);System.out.println("y is " + y); }
}

警告：NullPointerException 是一种常见的运行时错误，当调用值为 null 的引用变量上的方法时会发生此类异常。在通过引用变量调用一个方法之前，确保先将对象引用赋值给这个变量。

9.3.4 基本类型变量和引用类型变量的区别

每个变量都代表一个存储值的内存位置。声明一个变量时，就是在告诉编译器这个变量可以存放什么类型的值。对基本类型变量来说，对应内存所存储的值是基本类型值。对引用类型变量来说，对应内存所存储的值是一个引用，是对象的存储地址。例如：如下图所示， int 型变量 i 的值就是 int 值1，而 Circle 对象 c 的值存的是一个引用，它指明这个 Circle 对象的内容存储在内存中的什么位置。

将一个变量赋值给另一个变量时，另一个变量就被赋予同样的值。对基本类型变量而言，就是将一个变量的实际值赋给另一个变量。对引用类型变量而言，就是将一个变量的引用赋给另一个变量。如下图所示，赋值语句 i - j 将基本类型变量 j 的内容复制给基本类型变量 i。

如下图所示，对引用变量来讲，赋值语句 cl=c2 是将 c2 的引用赋给 cl。陚值之后，变量 cl 和 C2 指向同一个对象。

注意：如上图所示，执行完赋值语句 C1-C2 之后，cl指向 C2 所指的同一个对象。cl 以前引用的对象就不再有用，因此，现在它就成为垃圾（ garbage)。垃圾会占用内存空间。Java 运行系统会检测垃圾并自动回收它所占的空间，这个过程称为垃圾回收（garbage collection)。

提示：如果你认为不再需要某个对象时，可以显式地给该对象的引用变量赋 null 值。如果该对象没有被任何引用变量所引用，Java 虚拟机将自动回收它所占的空间。

9.4 使用 Java 库中的类

JavaAPI包含了丰富的类的集合，用于开发 Java 程序。

9.4.1 Date 类

Java 在 java.util.Date 类中还提供了与系统无关的对日期和时间的封装，如下图所示：

可以使用 Date 类中的无参构造方法为当前的日期和时间创建一个实例，它的 getTime( ) 方法返回自从 GMT 时间 1970 年 1 月 1 日算起至今流逝的时间，它的 toString( ) 方法返回日期和时间的字符串。例如，下面的代码：

java.util.Date date = new java.util.Date();
System.out.println("The elapsed time since Jan 1，1970 is " + date.getTime() + " milliseconds");
System.out.println(date.toString())；

显示输出为：

The elapsed time since Jan 1, 1970 is 1324903419651 milliseconds
Mon Dec 26 07:43:39 EST 2011

Date 类还有另外一个构造方法：Date(long elapseTime), 可以用它创建一个 Date 对象。该对象有一个从 GMT 时间 1970 年 1 月 1 日算起至今流逝的以毫秒为单位的给定时间。

9.4.2 Random 类

可以使用 Math .random( ) 获取一个 0.0 到1.0(不包括1.0) 之间的随机 double 型值。另一种产生随机数的方法是使用如下图所示的 java.util.Random 类，它可以产生一个 int、long、double、float 和 boolean 型值。

创建一个 Random 对象时，必须指定一个种子或者使用默认的种子。种子是一个用于初始化一个随机数字生成器的数字。无参构造方法使用当前已经逝去的时间作为种子，创建一个 Random 对象。如果这两个 Random 对象有相同的种子，那它们将产生相同的数列。例如：下面的代码都用相同的种子 3 来产生两个 Random 对象。

Random randoml = new Random(3);
System.out.print("From random1:")；
for (int i = 0; i < 10; i++)
System.out.print(randoml.nextInt(1000) + " ")；Random random2 = new Random(3);
System.out.print("\nFrom random2: ")；
for (int i = 0; i < 10; i++)
System.out.print(random2.nextInt(1000) + " ");

这些代码产生相同的 int 类型的随机数列：

From randoml: 734 660 210 581 128 202 549 564 459 961
From random2: 734 660 210 581 128 202 549 564 459 961

注意：产生相同随机值序列的能力在软件测试以及其他许多应用中是很有用的。在软件测试中，经常需要从一组固定顺序的随机数中来重复生成测试案例。

9.4.3 Point2D 类

Java API 在 javafx.geometry 包中有一个便于使用的 Point2D 类，用于表示二维平面上的点。该类的 UML 图如下图所示：

9.5 静态变置、常置和方法

静态变量被类中的所有对象所共享。静态方法不能访问类中的实例成员。

Circle 类的数据域 radius 称为一个实例变量。实例变量是绑定到类的某个特定实例的，它是不能被同一个类的不同对象所共享的。例如，假设创建了如下的两个对象:

Circle circlel = new Circle();
Circle circle2 = new Circ1e(5);

circlel中的 radius 和 circle2 中的 radius 是不相关的，它们存储在不同的内存位置。 circlel中 radius 的变化不会影响 circle2 中的 radius, 反之亦然。

如果想让一个类的所有实例共享数据，就要使用静态变量（static variable), 也称为类变量（ class variable)。静态变量将变量值存储在一个公共的内存地址。因为它是公共的地址，所以如果某一个对象修改了静态变量的值，那么同一个类的所有对象都会受到影响。Java 支持静态方法和静态变童，无须创建类的实例就可以调用静态方法（static method)。

修改 Circle 类，添加静态变量 numberOfObjects 统计创建的 Circle 对象的个数。当该类的第一个对象创建后，mimberOfObjects 的值是1。当第二个对象创建后，numberOfObjects 的值是 2。新 Circle 类的UML图如下图所示。Circle 类定义了实例变量 radius 和静态变量 numberOfObjects , 还定义了实例方法 getRadius、setRadius 和 getArea 以及静态方法 getNumberOfObjects。（注意，在 UML 类图中，静态变量和静态方法都是以下划线标注的。）

要声明一个静态变量或定义一个静态方法，就要在这个变量或方法的声明中加上修饰符 static: 静态变量 numberOfObjects 和静态方法 getNumberOfObjects() 可以如下声明：

static int numberOfObjects;
static int getNumberObjects(){return numberOfObjects;
}

类中的常量是被该类的所有对象所共享的。因此，常量应该声明为 final static, 例如， Math 类中的常量 PI 是如下定义的：

final static double PI = 3.14159265355979323846:

提示：使用 “类名方法名（参数)” 的方式调用静态方法，使用 “类名 .静态变量” 的方式访问静态变量。这会提高可读性，因为可以很容易地识别出类中的静态方法和数据。

实例方法可以调用实例方法和静态方法，以及访问实例数据域或者静态数据域。静态方法可以调用静态方法以及访问静态数据域。然而，静态方法不能调用实例方法或者访问实例数据域，因为静态方法和静态数据域不属于某个特定的对象。静态成员和实例成员的关系总结在下图中。

警告：一个常见的设计错误就是将一个本应该声明为静态的方法声明为实例方法。例如：方法 factohaKint n) 应该定义为静态的，如下所示，因为它不依赖于任何具体的实例。

9.6 可见性修饰符

可见性修饰符可以用于确定一个类以及它的成员的可见性。

可以在类、方法和数据域前使用 public 修饰符，表示它们可以被任何其他的类访问。如果没有使用可见性修饰符，那么则默认类、方法和数据域是可以被同一个包中的任何一个类访问的。这称作包私有（package - private)或包内访问（package - access )。

注意：包可以用来组织类。为了完成这个目标，需要在程序中首先出现下面这行语句，在这行语句之前不能有注释也不能有空白：

package packageName:

如果定义类时没有声明包，就表示把它放在默认包中。

Java 建议最好将类放入包中，而不要使用默认包。

除了 public 和默认可见性修饰符，Java 还为类成员提供 private 和 protected 修饰符。本节介绍 private 修饰符。

private 修饰符限定方法和数据域只能在它自己的类中被访问。下图示类 C1中的公共的、默认的和私有的数据域或方法能否被同一个包内的类 C2 访问，以及能否被不在同一个包内的类 C3 访问。

如果一个类没有被定义为公共类，那么它只能在同一个包内被访问。如下图所示，C2 可以访问 C1，而 C3 不能访问 C1。

可见性修饰符指明类中的数据域和方法是否能在该类之外被访问。在该类之内，对数据域和方法的访问是没有任何限制的。如下图 b 所示，C 类的对象 c 不能引用它的私有成员，因为 c 在 Test 类中。如下图 a 所示，C 类的对象:( 可以访问它的私有成员，因为 c 在自己的类内定义。

警告：修钸符 private 只能应用在类的成员上。修饰符 public 可以应用在类或类的成员上。在局部变量上使用修饰符 public 和 private 都会导致编译错误。

注意：大多数情况下，构造方法应该是公共的。但是，如果想防止用户创建类的实例，就该使用私有构造方法。例如：因为 Math 类的所有数据域和方法都是静态的，所以没必要创建 Math 类的实例。为了防止用户从 Math 类创建对象，在 java.lang.Math 中的构造方法定义为如下所示：

9.7 数据域封装

将数据域设为私有保护数据，并且使类易于维护。

为了避免对数据域的直接修改，应该使用 Private 修饰符将数据域声明为私有的，这称为数据域封装（data field encapsulation)。

在定义私有数据域的类外的对象是不能访问这个数据域的。但是经常会有客户端需要存取、修改数据域的情况。为了能够访问私有数据域，可以提供一个 get 方法返回数据域的值。为了能够更新一个数据域，可以提供一个 set 方法给数据域设置新值。get 方法也被称为访问器（accessor), 而 set 方法称为修改器（mutator)。

get 方法有如下签名：

public returnType getPropertyName()

如果返回值类型是 boolean 型，习惯上如下定义 get 方法：

public boolean isPropertyName()

set 方法有如下签名：

public void setPropertyName(dataType propertyValue)

9.8 向方法传递对象参数

给方法传递一个对象，是将对象的引用传递给方法。

可以将对象传递给方法。同传递数组一样，传递对象实际上是传递对象的引用。下面的代码将 myCi rcl e 对象作为参数传递给 printCircle 方法：

public class Test { public static void main (String[] args) { // CircleWithPrivateDataFields is defined in Listing 9.8CircleWithPrivateDataFields myCircle =newCircleWithPrivateDataFields(S •0); printCircle(myCircle); } public static void printCircle(CircleWithPrivateDataFields c) {System.out.pri ntl n ("The area of the circle of radius " + c.getRadius() + " is " + c.getArea());}
}

Java 只有一种参数传递方式：值传递（pass - by - value)。在上面的代码中，myCircle 的值被传递给 printCircle 方法。这个值就是一个对 Circle 对象的引用值。

9.9 对象数组

数组既可以存储基本类型值，也可以存储对象。

下面的语句声明并创建了 10 个 Circle 对象的数组：

Circle[] circleArray = new Circle[10];

为了初始化数组 circleArray，可以使用如下的 for 循环：

for (int i = 0;i<circleArray.length;i++){circleArray[i] = new Circle();
}

对象的数组实际上是引用变量的数组。因此，调用 circleArray[1].getArea( ) 实际上调用了两个层次的引用，如下图所示。circleArray 引用了整个数组，circleArray[1] 引用了一个 Circle 对象。

注意：当使用 new 操作符创建对象教组后，这个数组中的每个元素都是默认值为 null 的引用变量。

9.10 不可变对象和类

可以定义不可变类来产生不可变对象。不可变对象的内容不能被改变。

通常，创建一个对象后，它的内容是允许之后改变的。有时候也需要创建一个一旦创建其内容就不能再改变的对象。我们称这种对象为一个不可变对象（ immutable object), 而它的类就称为不可变类（immutable class)。例如：String 类就是不可变的。

如果一个类是不可变的，那么它的所有数据域必须都是私有的，而且没有对任何一个数据域提供公共的 set 方法。一个类的所有数据都是私有的且没有修改器并不意味着它一定是不可变类。例如：下面的 Student 类，它的所有数据域都是私有的，而且也没有 set 方法，但它不是一个不可变的类。

public class Student {private int id;private String name ;private java.util.Date dateCreated;public Student(int ssn, String newName) {id = ssn;name = newName;dateCreated = new java.util.Date();}public int getId() {return id;}public String getName() {return name;}public java.util.Date getDateCreated() {return dateCreated;}
}

如下面的代码所示，使用 getDateCreated( ) 方法返回数据域 dateCreated。它是对 Date 对象的一个引用。通过这个引用，可以改变 dateCreated 的值。

public class Test {public static void main(String[] args){Student student = new Student(111223333 , "John");java.util.Date dateCreated = student.getDateCreated();dateCreated.setTime(200000); // Now dateCreated field is changed!}
}

要使一个类成为不可变的，它必须满足下面的要求：

所有数据域都是私有的。
没有修改器方法。
没有一个返回指向可变数据域的引用的访问器方法。

9.11 变量的作用域

实例变量和静态变量的作用域是整个类，无论变量是在哪里声明的。

局部变量的声明和使用都在一个方法的内部。

— 个类的实例变量和静态变量称为类变量（class’s variables)或教据域（ data field)。在方法内部定义的变量称为局部变量。无论在何处声明，类变量的作用域都是整个类。类的变量和方法可以在类中以任意顺序出现，如下图 a 所示。但是当一个数据域是基于对另一个数据域的引用来进行初始化时则不是这样。在这种情况下，必须首先声明另一个数据域，如下图 b 所示。为保持一致性，我们在类的开头就声明数据域。

类变量只能声明一次，但是在一个方法内不同的非嵌套块中，可以多次声明相同的变量名。

如果一个局部变量和一个类变量具有相同的名字，那么局部变量优先. 而同名的类变量将被隐藏（ hidden)。例如：在下面的程序中，x 被定义为一个实例变量，也在方法中被定义为局部变量。

public class F {private int x = 0; // Instance variableprivate int y = 0;public F() { }public void p() {int x = 1; // Local variableSystem.out.println("x = " + x);System.out.println("y = " + y); }
}

假设 f 是 F 的一个实例，那么 f.p( ) 的打印输出是什么呢？ f.pO 的打印输出是：X 为 1, y 为 0。其原因如下：

x 被声明为类中初值为 0的数据域，但是它在方法 p()中又被声明了一次，初值为1。 System.out. println 语句中引用的 x 是后者。
y 在方法 P( )的外部声明，但在方法内部也是可访问的。

提示：为避免混淆和错误，除了方法中的参數，不要将实例变量或静态变量的名字作为局部变量名。

9.12 this 引用

关键字 this 引用对象自身。它也可以在构造方法内部用于调用同一个类的其他构造方法。

关键字 this 是指向调用对象本身的引用名。可以用 this 关键字引用对象的实例成员。例如，下图 a 的代码使用 this 来显式地引用对象的 radius以及调用它的 getArea( ) 方法。this引用通常是省略掉的，如下图 b 所示。然而，在引用隐藏数据域以及调用一个重载的构造方法的时候，this 引用是必须的。

9.12.1 使用 this 引用隐藏数据域

this 关键字可以用于引用类的隐藏数据域。例如，在数据域的 set 方法中，经常将数据域名用作参数名。在这种情况下，这个数据域在 set 方法中被隐藏。为了给它设置新值，需要在方法中引用隐藏的数据域名。隐藏的静态变量可以简单地通过 “类名 .静态变量” 的方式引用。隐藏的实例变量就需要使用关键字 this 来引用，如下图 a 所示。

关键字 this 给出一种引用调用实例方法的对象的方法。调用f1.setI(10)时，执行了 this.i=1, 将参数 i 的值赋给调用对象 f1的数据域 i。关键字 this 是指调用实例方法 setl 的对象，如上图 b 所示。F.k = k 这一行的意思是将参数 k 的值赋给这个类的静态数据域 k，k 是被类的所有对象所共享的。

9.12.2 使用 this 调用构造方法

关键字 this 可以用于调用同一个类的另一个构造方法。例如，可以如下改写 Circle 类:

在第二个构造方法中，this(1.0)这一行调用带 double 值参数的第一个构造方法。

注意：Java 要求在构造方法中，语句 this( 参数列表）应在任何其他可执行语句之前出现。

提示：如果一个类有多个构造方法，最好尽可能使用 this( 参数列表）实现它们。通常，无参数或参数少的构造方法可以用 this( 参数列表）调用参数多的构造方法。这样做通常可以简化代码，使类易于阅读和维护。

编译运算练习

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