Объявление классов

Объявление методов

Объявление метода состоит из заголовка и тела метода. Заголовок состоит из:

• модификаторов (доступа в том числе);
• типа возвращаемого значения или ключевого слова void ;
• имени метода ;
• списка аргументов в круглых скобках (аргументов может не быть);
• специального throws -выражения.

Заголовок начинается с перечисления модификаторов. Для методов доступен любой из трех возможных модификаторов доступа. Также допускается использование доступа по умолчанию.

Кроме того, существует модификатор final, который говорит о том, что такой метод нельзя переопределять в наследниках. Можно считать, что все методы final -класса, а также все private - методы любого класса, являются final.

Также поддерживается модификатор native. Метод, объявленный с таким модификатором, не имеет реализации на Java. Он должен быть написан на другом языке (C/C++, Fortran и т.д.) и добавлен в систему в виде загружаемой динамической библиотеки (например, DLL для Windows). Существует специальная спецификация JNI (Java Native Interface), описывающая правила создания и использования native - методов.

Такая возможность для Java необходима, поскольку многие компании имеют обширные программные библиотеки, написанные на более старых языках. Их было бы очень трудоемко и неэффективно переписывать на Java, поэтому необходима возможность подключать их в таком виде, в каком они есть. Безусловно, при этом Java-приложения теряют целый ряд своих преимуществ, таких, как переносимость, безопасность и другие. Поэтому применять JNI следует только в случае крайней необходимости.

Эта спецификация накладывает требования на имена процедур во внешних библиотеках (она составляет их из имени пакета, класса и самого native - метода ), а поскольку библиотеки менять, как правило, очень неудобно, часто пишут специальные библиотеки-"обертки", к которым обращаются Java-классы через JNI, а они сами обращаются к целевым модулям.

Наконец, существует еще один специальный модификатор synchronized, который будет рассмотрен в лекции, описывающей потоки выполнения.

После перечисления модификаторов указывается имя (простое или составное) типа возвращаемого значения; это может быть как примитивный, так и объектный тип. Если метод не возвращает никакого значения, указывается ключевое слово void.

Затем определяется имя метода. Указанный идентификатор при объявлении становится простым именем метода. Составное имя формируется из имени класса или имени переменной объектного типа и простого имени метода. Областью видимости метода является все объявление тела класса.

Аргументы метода перечисляются через запятую. Для каждого указывается сначала тип, затем имя параметра. В отличие от объявления переменной здесь запрещается указывать два имени для одного типа:

// void calc (double x, y); - ошибка!
void calc (double x, double y);

Если аргументы отсутствуют, указываются пустые круглые скобки. Одноименные параметры запрещены. Создание локальных переменных в методе с именами, совпадающими с именами параметров, запрещено. Для каждого аргумента можно ввести ключевое слово final перед указанием его типа. В этом случае такой параметр не может менять своего значения в теле метода (то есть участвовать в операции присвоения в качестве левого операнда).

public void process(int x, final double y) {
   x=x*x+Math.sqrt(x);
   
   // y=Math.sin(x); - так писать нельзя, 
   // т.к. y - final!
}

О том, как происходит изменение значений аргументов метода, рассказано в конце этой лекции.

Важным понятием является сигнатура (signature) метода. Сигнатура определяется именем метода и его аргументами (количеством, типом, порядком следования). Если для полей запрещается совпадение имен, то для методов в классе запрещено создание двух методов с одинаковыми сигнатурами.

Например,

class Point {
   void get() {}
   void get(int x) {}
   void get(int x, double y) {}
   void get(double x, int y) {}
}

Такой класс объявлен корректно. Следующие пары методов в одном классе друг с другом несовместимы:

void get() {}
int get() {}

void get(int x) {}
void get(int y) {}

public int get() {}
private int get() {}

В первом случае методы отличаются типом возвращаемого значения, которое, однако, не входит в определение сигнатуры. Стало быть, это два метода с одинаковыми сигнатурами и они не могут одновременно появиться в объявлении тела класса. Можно составить пример, который создал бы неразрешимую проблему для компилятора, если бы был допустим:

// пример вызовет ошибку компиляции
class Test {
   int get() {
      return 5;
   }
   Point get() {
      return new Point(3,5);
   }

   void print(int x) {
      System.out.println("it's int! "+x);
   }
   void print(Point p) {
      System.out.println("it's Point! "+p.x+
                         ", "+p.y);
   }

   public static void main (String s[]) {
      Test t = new Test();
      t.print(t.get());   // Двусмысленность!
   }
}

В классе определена запрещенная пара методов get() с одинаковыми сигнатурами и различными возвращаемыми значениями. Обратимся к выделенной строке в методе main, где возникает конфликтная ситуация, с которой компилятор не может справиться. Определены два метода print() (у них разные аргументы, а значит, и сигнатуры, то есть это допустимые методы ), и чтобы разобраться, какой из них будет вызван, нужно знать точный тип возвращаемого значения метода get(), что невозможно.

На основе этого примера можно понять, как составлено понятие сигнатуры. Действительно, при вызове указывается имя метода и перечисляются его аргументы, причем компилятор всегда может определить их тип. Как раз эти понятия и составляют сигнатуру, и требование ее уникальности позволяет компилятору всегда однозначно определить, какой метод будет вызван.

Точно так же в предыдущем примере вторая пара методов различается именем аргументов, которые также не входят в определение сигнатуры и не позволяют определить, какой из двух методов должен быть вызван.

Аналогично, третья пара различается лишь модификаторами доступа, что также недопустимо.

Наконец, завершает заголовок метода throws -выражение. Оно применяется для корректной работы с ошибками в Java и будет подробно рассмотрено в соответствующей лекции.

Пример объявления метода:

public final java.awt.Point 
   createPositivePoint(int x, int y)
   throws IllegalArgumentException
{
   return (x>0 && y>0) ? 
           new Point(x, y) : null;
}

Далее, после заголовка метода следует тело метода. Оно может быть пустым и тогда записывается одним символом "точка с запятой". Native - методы всегда имеют только пустое тело, поскольку настоящая реализация написана на другом языке.

Обычные же методы имеют непустое тело, которое описывается в фигурных скобках, что показано в многочисленных примерах в этой и других лекциях. Если текущая реализация метода не выполняет никаких действий, тело все равно должно описываться парой пустых фигурных скобок:

public void empty() {}

Если в заголовке метода указан тип возвращаемого значения, а не void, то в теле метода обязательно должно встречаться return -выражение. При этом компилятор проводит анализ структуры метода, чтобы гарантировать, что при любых операторах ветвления возвращаемое значение будет сгенерировано. Например, следующий пример является некорректным:

// пример вызовет ошибку компиляции
public int get() {
   if (condition) {
      return 5;
   }
}

Видно, что хотя тело метода содержит return -выражение, однако не при любом развитии событий возвращаемое значение будет сгенерировано. А вот такой пример является верным:

public int get() {
   if (condition) {
      return 5;
   } else {
      return 3;
   }
}

Конечно, значение, указанное после слова return, должно быть совместимо по типу с объявленным возвращаемым значением (это понятие подробно рассматривается в лекции 7).

В методе без возвращаемого значения (указано void ) также можно использовать выражение return без каких-либо аргументов. Его можно указать в любом месте метода и в этой точке выполнение метода будет завершено:

public void calculate(int x, int y) {
   if (x<=0 || y<=0) {
      return;   // некорректные входные 
                // значения, выход из метода
   }
   ...   // основные вычисления
}

Выражений return (с параметром или без для методов с/без возвращаемого значения) в теле одного метода может быть сколько угодно. Однако следует помнить, что множество точек выхода в одном методе может заметно усложнить понимание логики его работы.

Объявление конструкторов

Формат объявления конструкторов похож на упрощенное объявление методов. Также выделяют заголовок и тело конструктора. Заголовок состоит, во-первых, из модификаторов доступа (никакие другие модификаторы недопустимы). Во-вторых, указывается имя класса, которое можно расценивать двояко. Можно считать, что имя конструктора совпадает с именем класса. А можно рассматривать конструктор как безымянный, а имя класса – как тип возвращаемого значения, ведь конструктор может породить только объект класса, в котором он объявлен. Это исключительно дело вкуса, так как на формате объявления никак не сказывается:

public class Human {
   private int age;

   protected Human(int a) {
      age=a;
   }

   public Human(String name, Human mother, 
                Human father) {
      age=0;
   }
}

Как видно из примеров, далее следует перечисление входных аргументов по тем же правилам, что и для методов. Завершает заголовок конструктора throws-выражение (в примере не использовано, см. лекцию 10 "Исключения"). Оно имеет особую важность для конструкторов, поскольку сгенерировать ошибку – это для конструктора единственный способ не создавать объект. Если конструктор выполнился без ошибок, то объект гарантированно создается.

Тело конструктора пустым быть не может и поэтому всегда описывается в фигурных скобках (для простейших реализаций скобки могут быть пустыми).

В отсутствие имени (или из-за того, что у всех конструкторов одинаковое имя, совпадающее с именем класса) сигнатура конструктора определяется только набором входных параметров по тем же правилам, что и для методов. Аналогично, в одном классе допускается любое количество конструкторов, если у них различные сигнатуры.

Тело конструктора может содержать любое количество return -выражений без аргументов. Если процесс исполнения дойдет до такого выражения, то на этом месте выполнение конструктора будет завершено.

Однако логика работы конструкторов имеет и некоторые важные особенности. Поскольку при их вызове осуществляется создание и инициализация объекта, становится понятно, что такой процесс не может происходить без обращения к конструкторам всех родительских классов. Поэтому вводится обязательное правило – первой строкой в конструкторе должно быть обращение к родительскому классу, которое записывается с помощью ключевого слова super.

public class Parent {
   private int x, y;

   public Parent() {
      x=y=0;
   }

   public Parent(int newx, int newy) {
      x=newx;
      y=newy;
   }
}

public class Child extends Parent {
   public Child() {
      super();
   }

   public Child(int newx, int newy) {
      super(newx, newy);
   }
}

Как видно, обращение к родительскому конструктору записывается с помощью super, за которым идет перечисление аргументов. Этот набор определяет, какой из родительских конструкторов будет использован. В приведенном примере в каждом классе имеется по два конструктора и каждый конструктор в наследнике обращается к аналогичному в родителе (это довольно распространенный, но, конечно, не обязательный способ).

Проследим мысленно весь алгоритм создания объекта. Он начинается при исполнении выражения с ключевым словом new, за которым следует имя класса, от которого будет порождаться объект, и набор аргументов для его конструктора. По этому набору определяется, какой именно конструктор будет использован, и происходит его вызов. Первая строка его тела содержит вызов родительского конструктора. В свою очередь, первая строка тела конструктора родителя будет содержать вызов к его родителю, и так далее. Восхождение по дереву наследования заканчивается, очевидно, на классе Object, у которого есть единственный конструктор без параметров. Его тело пустое (записывается парой пустых фигурных скобок), однако можно считать, что именно в этот момент JVM порождает объект и далее начинается процесс его инициализации. Выполнение начинает обратный путь вниз по дереву наследования. У самого верхнего родителя, прямого наследника от Object, происходит продолжение исполнения конструктора со второй строки. Когда он будет полностью выполнен, необходимо перейти к следующему родителю, на один уровень наследования вниз, и завершить выполнение его конструктора, и так далее. Наконец, можно будет вернуться к конструктору исходного класса, который был вызван с помощью new, и также продолжить его выполнение со второй строки. По его завершении объект считается полностью созданным, исполнение выражения new будет закончено, а в качестве результата будет возвращена ссылка на порожденный объект.

Проиллюстрируем этот алгоритм следующим примером:

public class GraphicElement {
   private int x, y;   // положение на экране

   public GraphicElement(int nx, int ny) {
      super();   // обращение к конструктору 
                 // родителя Object
      System.out.println("GraphicElement");
      x=nx;
      y=ny;
      }
}

public class Square extends GraphicElement {
   private int side;

   public Square(int x, int y, int nside) {
      super(x, y);
      System.out.println("Square");
         side=nside;
   }
}

public class SmallColorSquare extends Square {
   private Color color;

   public SmallColorSquare(int x, int y, 
                           Color c) {
      super(x, y, 5);
      System.out.println("SmallColorSquare");
      color=c;
   }
}

После выполнения выражения создания объекта на экране появится следующее:

GraphicElement
Square
SmallColorSquare

Выражение super может стоять только на первой строке конструктора. Часто можно увидеть конструкторы вообще без такого выражения. В этом случае компилятор первой строкой по умолчанию добавляет вызов родительского конструктора без параметров ( super() ). Если у родительского класса такого конструктора нет, выражение super обязательно должно быть записано явно (и именно на первой строке), поскольку необходима передача входных параметров.

Напомним, что, во-первых, конструкторы не имеют имени и их нельзя вызвать явно, только через выражение создания объекта. Кроме того, конструкторы не передаются по наследству. То есть, если в родительском классе объявлено пять разных полезных конструкторов и требуется, чтобы класс-наследник имел аналогичный набор, необходимо все их описать заново.

Класс обязательно должен иметь конструктор, иначе невозможно порождать объекты ни от него, ни от его наследников. Поэтому если в классе не объявлен ни один конструктор, компилятор добавляет один по умолчанию. Это public -конструктор без параметров и с телом, описанным парой пустых фигурных скобок. Из этого следует, что такое возможно только для классов, у родителей которых объявлен конструктор без параметров, иначе возникнет ошибка компиляции. Обратите внимание, что если затем в такой класс добавляется конструктор (не важно, с параметрами или без), то конструктор по умолчанию больше не вставляется:

/*
   * Этот класс имеет один конструктор.
   */
public class One {
   // Будет создан конструктор по умолчанию
   // Родительский класс Object имеет
   // конструктор без параметров.
}

/*
   * Этот класс имеет один конструктор.
   */
public class Two {
   // Единственный конструктор класса Two.
   // Выражение new Two() ошибочно!
   public Two(int x) {
   }
}

/*
   * Этот класс имеет два конструктора.
   */
public class Three extends Two {
   public Three() {
      super(1);   // выражение super требуется
   }

   public Three(int x) {
      super(x);   // выражение super требуется
   }
}

Если класс имеет более одного конструктора, допускается в первой строке некоторых из них указывать не super, а this – выражение, вызывающее другой конструктор этого же класса.

Рассмотрим следующий пример:

public class Vector {
   private int vx, vy;
   protected double length;

   public Vector(int x, int y) {
      super();
      vx=x;
      vy=y;
      length=Math.sqrt(vx*vx+vy*vy);
   }

   public Vector(int x1, int y1, 
                 int x2, int y2) {
      super();
      vx=x2-x1;
      vy=y2-y1;
      length=Math.sqrt(vx*vx+vy*vy);
   }
}

Видно, что оба конструктора совершают практически идентичные действия, поэтому можно применить более компактный вид записи:

public class Vector {
   private int vx, vy;
   protected double length;

   public Vector(int x, int y) {
      super();
      vx=x;
      vy=y;
      length=Math.sqrt(vx*vx+vy*vy);
   }

   public Vector(int x1, int y1, 
                 int x2, int y2) {
      this(x2-x1, y2-y1);
   }
}

Большим достоинством такого метода записи является то, что удалось избежать дублирования идентичного кода. Например, если процесс инициализации объектов этого класса увеличится на один шаг (скажем, добавится проверка длины на равенство нулю), то такое изменение надо будет внести только в первый конструктор. Такой подход помогает избежать случайных ошибок, так как исчезает необходимость тиражировать изменения в нескольких местах.

Разумеется, такое обращение к конструкторам своего класса не должно приводить к зацикливаниям, иначе будет выдана ошибка компиляции. Цепочка this должна в итоге приводить к super, который должен присутствовать (явно или неявно) хотя бы в одном из конструкторов. После того, как отработают конструкторы всех родительских классов, будет продолжено выполнение каждого конструктора, вовлеченного в процесс создания объекта.

public class Test { 
   public Test() { 
      System.out.println("Test()");
   }

   public Test(int x) { 
      this(); 
      System.out.println("Test(int x)"); 
   }
}

После выполнения выражения new Test(0) на консоли появится:

Test()
Test(int x)

В заключение рассмотрим применение модификаторов доступа для конструкторов. Может вызвать удивление возможность объявлять конструкторы как private. Ведь они нужны для генерации объектов, а к таким конструкторам ни у кого не будет доступа. Однако в ряде случаев модификатор private может быть полезен. Например:

• private -конструктор может содержать инициализирующие действия, а остальные конструкторы будут использовать его с помощью this, причем прямое обращение к этому конструктору по каким-то причинам нежелательно;
• запрет на создание объектов этого класса, например, невозможно создать экземпляр класса Math ;
• реализация специального шаблона проектирования из ООП Singleton, для работы которого требуется контролировать создание объектов, что невозможно в случае наличия не- private конструкторов.

Инициализаторы

Наконец, последней допустимой конструкцией в теле класса является объявление инициализаторов. Записываются объектные инициализаторы очень просто – внутри фигурных скобок.

public class Test {
   private int x, y, z;

   // инициализатор объекта
   {
      x=3;
      if (x>0)
         y=4;
      z=Math.max(x, y);
   }
}

Инициализаторы не имеют имен, исполняются при создании объектов, не могут быть вызваны явно, не передаются по наследству (хотя, конечно, инициализаторы в родительском классе продолжают исполняться при создании объекта класса-наследника).

Было указано уже три вида инициализирующего кода в классах – конструкторы, инициализаторы переменных, а теперь добавились объектные инициализаторы. Необходимо разобраться, в какой последовательности что выполняется, в том числе при наследовании. При создании экземпляра класса вызванный конструктор выполняется следующим образом:

• если первой строкой идет обращение к конструктору родительского класса (явное или добавленное компилятором по умолчанию), то этот конструктор исполняется;
• в случае успешного исполнения вызываются все инициализаторы полей и объекта в том порядке, в каком они объявлены в теле класса;
• если первой строкой идет обращение к другому конструктору этого же класса, то он вызывается. Повторное выполнение инициализаторов не производится.

Второй пункт имеет ряд важных следствий. Во-первых, из него следует, что в инициализаторах нельзя использовать переменные класса, если их объявление записано позже.

Во-вторых, теперь можно сформулировать наиболее гибкий подход к инициализации final -полей. Главное требование – чтобы такие поля были проинициализированы ровно один раз. Это можно обеспечить в следующих случаях:

• если инициализировать поле при объявлении;
• если инициализировать поле только один раз в инициализаторе объекта (он должен быть записан после объявления поля);
• если инициализировать поле только один раз в каждом конструкторе, в первой строке которого стоит явное или неявное обращение к конструктору родителя. Конструктор, в первой строке которого стоит this, не может и не должен инициализировать final -поле, так как цепочка this -вызовов приведет к конструктору с super, в котором эта инициализация обязательно присутствует.

Для иллюстрации порядка исполнения инициализирующих конструкций рассмотрим следующий пример:

public class Test {
   {
      System.out.println("initializer");
   }
   int x, y=getY();
   final int z;
   {
      System.out.println("initializer2");
   }
   private int getY() {
      System.out.println("getY() "+z);
      return z;
   }
   public Test() {
      System.out.println("Test()");
      z=3;
   }
   public Test(int x) {
      this();
      System.out.println("Test(int)");
      // z=4; - нельзя! final-поле уже 
      // было инициализировано
   }
}

После выполнения выражения new Test() на консоли появится:

initializer
getY() 0
initializer2
Test()

Обратите внимание, что для инициализации поля y вызывается метод getY(), который возвращает значение final -поля z, которое еще не было инициализировано. Поэтому в итоге поле y получит значение по умолчанию 0, а затем поле z получит постоянное значение 3, которое никогда уже не изменится.

После выполнения выражения new Test(3) на консоли появится:

initializer
getY() 0
initializer2
Test()
Test(int)