Типы данных

Ссылочные типы

Итак, выражение ссылочного типа имеет значение либо null, либо ссылку, указывающую на некоторый объект в виртуальной памяти JVM.

Объекты и правила работы с ними

Объект (object) – это экземпляр некоторого класса, или экземпляр массива. Массивы будут подробно рассматриваться в соответствующей лекции. Класс – это описание объектов одинаковой структуры, и если в программе такой класс используется, то описание присутствует в единственном экземпляре. Объектов этого класса может не быть вовсе, а может быть создано сколь угодно много.

Объекты всегда создаются с использованием ключевого слова new, причем одно слово new порождает строго один объект (или вовсе ни одного, если происходит ошибка). После ключевого слова указывается имя класса, от которого мы собираемся породить объект. Создание объекта всегда происходит через вызов одного из конструкторов класса (их может быть несколько), поэтому в заключение ставятся скобки, в которых перечислены значения аргументов, передаваемых выбранному конструктору. В приведенных выше примерах, когда создавались объекты типа Point, выражение new Point (3,5) означало обращение к конструктору класса Point, у которого есть два аргумента типа int. Кстати, обязательное объявление такого конструктора в упрощенном объявлении класса отсутствовало. Объявление классов рассматривается в следующих лекциях, однако приведем правильное определение Point:

class Point {
   int x, y;

   /**
      * Конструктор принимает 2 аргумента,
      * которыми инициализирует поля объекта.
      */
   Point (int newx, int newy){
      x=newx;
      y=newy;
   }
}

Если конструктор отработал успешно, то выражение new возвращает ссылку на созданный объект. Эту ссылку можно сохранить в переменной, передать в качестве аргумента в какой-либо метод или использовать другим способом. JVM всегда занимается подсчетом хранимых ссылок на каждый объект. Как только обнаруживается, что ссылок больше нет, такой объект предназначается для уничтожения сборщиком мусора (garbage collector). Восстановить ссылку на такой "потерянный" объект невозможно.

Point p=new Point(1,2); 
   // Создали объект, получили на него ссылку
Point p1=p;             
   // теперь есть 2 ссылки на точку (1,2)
p=new Point(3,4);       
   // осталась одна ссылка на точку (1,2)
p1=null;

Ссылок на объект-точку (1,2) больше нет, доступ к нему утерян и он вскоре будет уничтожен сборщиком мусора.

Любой объект порождается только с применением ключевого слова new. Единственное исключение – экземпляры класса String. Записывая любой строковый литерал, мы автоматически порождаем объект этого класса. Оператор конкатенации +, результатом которого является строка, также неявно порождает объекты без использования ключевого слова new.

Рассмотрим пример:

"abc"+"def"

При выполнении этого выражения будет создано три объекта класса String. Два объекта порождаются строковыми литералами, третий будет представлять результат конкатенации.

Операция создания объекта – одна из самых ресурсоемких в Java. Поэтому следует избегать ненужных порождений. Поскольку при работе со строками их может создаваться довольно много, компилятор, как правило, пытается оптимизировать такие выражения. В рассмотренном примере, поскольку все операнды являются константами времени компиляции, компилятор сам осуществит конкатенацию и вставит в код уже результат, сократив таким образом количество создаваемых объектов до одного.

Кроме того, в версии Java 1.1 была введена технология reflection, которая позволяет обращаться к классам, методам и полям, используя лишь их имя в текстовом виде. С ее помощью также можно создать объект без ключевого слова new, однако эта технология довольно специфична, применяется в редких случаях, а кроме того, довольно проста и потому в данном курсе не рассматривается. Все же приведем пример ее применения:

Point p = null;
try {
  // в следующей строке, используя лишь 
  // текстовое имя класса Point, порождается
  // объект без применения ключевого слова new
p=(Point)Class.forName("Point").newInstance();

} catch (Exception e) { // обработка ошибок
   System.out.println(e);
}

Объект всегда "помнит", от какого класса он был порожден. С другой стороны, как уже указывалось, можно ссылаться на объект, используя ссылку другого типа. Приведем пример, который будем еще много раз использовать. Сначала опишем два класса, Parent и его наследник Child:

// Объявляем класс Parent
class Parent {
} 

// Объявляем класс Child и наследуем
// его от класса Parent
class Child extends Parent {
}

Пока нам не нужно определять какие-либо поля или методы. Далее объявим переменную одного типа и проинициализируем ее значением другого типа:

Parent p = new Child();

Теперь переменная типа Parent указывает на объект, порожденный от класса Child.

Над ссылочными значениями можно производить следующие операции:

• обращение к полям и методам объекта
• оператор instanceof (возвращает булево значение)
• операции сравнения == и != (возвращают булево значение)
• оператор приведения типов
• оператор с условием ?:
• оператор конкатенации со строкой +

Обращение к полям и методам объекта можно назвать основной операцией над ссылочными величинами. Осуществляется она с помощью символа . (точка). Примеры ее применения будут приводиться.

Используя оператор instanceof, можно узнать, от какого класса произошел объект. Этот оператор имеет два аргумента. Слева указывается ссылка на объект, а справа – имя типа, на совместимость с которым проверяется объект. Например:

Parent p = new Child();
// проверяем переменную p типа Parent
// на совместимость с типом Child
print(p instanceof Child);

Результатом будет true. Таким образом, оператор instanceof опирается не на тип ссылки, а на свойства объекта, на который она ссылается. Но этот оператор возвращает истинное значение не только для того типа, от которого был порожден объект. Добавим к уже объявленным классам еще один:

// Объявляем новый класс и наследуем
// его от класса Child
class ChildOfChild extends Child { }

Теперь заведем переменную нового типа:

Parent p = new ChildOfChild();
print(p instanceof Child);

В первой строке объявляется переменная типа Parent, которая инициализируется ссылкой на объект, порожденный от ChildOfChild. Во второй строке оператор instanceof анализирует совместимость ссылки типа Parent с классом Child, причем задействованный объект не порожден ни от первого, ни от второго класса. Тем не менее, оператор вернет true, поскольку класс, от которого этот объект порожден, наследуется от Child.

Добавим еще один класс:

class Child2 extends Parent {
}

И снова объявим переменную типа Parent:

Parent p=new Child();
print(p instanceof Child);
print(p instanceof Child2);

Переменная p имеет тип Parent, а значит, может ссылаться на объекты типа Child или Child2. Оператор instanceof помогает разобраться в ситуации:

true
false

Для ссылки, равной null, оператор instanceof всегда вернет значение false.

С изучением свойств объектной модели Java мы будем возвращаться к алгоритму работы оператора instanceof.

Операторы сравнения == и != проверяют равенство (или неравенство) объектных величин именно по ссылке. Однако часто требуется альтернативное сравнение – по значению. Сравнение по значению имеет дело с понятием состояние объекта. Сам смысл этого выражения рассматривается в ООП, что же касается реализации в Java, то состояние объекта хранится в его полях. При сравнении по ссылке ни тип объекта, ни значения его полей не учитываются, true возвращается только в том случае, если обе ссылки указывают на один и тот же объект.

Point p1=new Point(2,3);
Point p2=p1;
Point p3=new Point(2,3);
print(p1==p2);
print(p1==p3);

Результатом будет:

true
false

Первое сравнение оказалось истинным, так как переменная p2 ссылается на тот же объект, что и p1. Второе же сравнение ложно, несмотря на то, что переменная p3 ссылается на объект-точку с точно такими же координатами. Однако это другой объект, который был порожден другим выражением new.

Если один из аргументов оператора == равен null, а другой – нет, то значение такого выражения будет false. Если же оба операнда null, то результат будет true.

Для корректного сравнения по значению существует специальный метод equals, который будет рассмотрен позже. Например, строки можно сравнивать следующим образом:

String s = "abc";
s=s+1;
print(s.equals("abc1"));

Операция с условием ?: работает как обычно и может принимать второй и третий аргументы, если они оба одновременно ссылочного типа. Результат такого оператора также будет иметь объектный тип.

Как и простые типы, ссылочные величины можно складывать со строкой. Если ссылка равна null, то к строке добавляется текст "null". Если же ссылка указывает на объект, то у него вызывается специальный метод (он будет рассмотрен ниже, его имя toString() ) и текст, который он вернет, будет добавлен к строке.

Класс Object

В Java множественное наследование отсутствует. Каждый класс может иметь только одного родителя. Таким образом, мы можем проследить цепочку наследования от любого класса, поднимаясь все выше. Существует класс, на котором такая цепочка всегда заканчивается, это класс Object. Именно от него наследуются все классы, в объявлении которых явно не указан другой родительский класс. А значит, любой класс напрямую, или через своих родителей, является наследником Object. Отсюда следует, что методы этого класса есть у любого объекта (поля в Object отсутствуют), а потому они представляют особенный интерес.

Рассмотрим основные из них.

getClass()

Этот метод возвращает объект класса Class, который описывает класс, от которого был порожден этот объект. Класс Class будет рассмотрен ниже. У него есть метод getName(), возвращающий имя класса:

String s = "abc";
Class cl=s.getClass();
System.out.println(cl.getName());

Результатом будет строка:

java.lang.String

В отличие от оператора instanceof, метод getClass() всегда возвращает точно тот класс, от которого был порожден объект.

equals()

Этот метод имеет один аргумент типа Object и возвращает boolean. Как уже говорилось, equals() служит для сравнения объектов по значению, а не по ссылке. Сравнивается состояние объекта, у которого вызывается этот метод, с передаваемым аргументом.

Point p1=new Point(2,3);
Point p2=new Point(2,3);
print(p1.equals(p2));

Результатом будет false.

Поскольку сам Object не имеет полей, а значит, и состояния, в этом классе метод equals возвращает результат сравнения по ссылке. Однако при написании нового класса можно переопределить этот метод и описать правильный алгоритм сравнения по значению (что и сделано в большинстве стандартных классов). Соответственно, в класс Point также необходимо добавить переопределенный метод сравнения:

public boolean equals(Object o) {
   // Сначала необходимо убедиться, что 
   // переданный объект совместим с типом 
   // Point
   if (o instanceof Point) {
      // Типы совместимы, можно провести 
      // преобразование
      Point p = (Point)o;
      // Возвращаем результат сравнения 
      // координат
      return p.x==x && p.y==y;
   }
   // Если объект не совместим с Point, 
   // возвращаем false
   return false;
}

hashCode()

Данный метод возвращает значение int. Цель hashCode() – представить любой объект целым числом. Особенно эффективно это используется в хэш-таблицах (в Java есть стандартная реализация такого хранения данных, она будет рассмотрена позже). Конечно, нельзя потребовать, чтобы различные объекты возвращали различные хэш-коды, но, по крайней мере, необходимо, чтобы объекты, равные по значению (метод equals() возвращает true ), возвращали одинаковые хэш-коды.

В классе Object этот метод реализован на уровне JVM. Сама виртуальная машина генерирует число хеш-кодов, основываясь на расположении объекта в памяти.

toString()

Этот метод позволяет получить текстовое описание любого объекта. Создавая новый класс, данный метод можно переопределить и возвращать более подробное описание. Для класса Object и его наследников, не переопределивших toString(), метод возвращает следующее выражение:

getClass().getName()+"@"+hashCode()

Метод getName() класса Class уже приводился в пример, а хэш-код еще дополнительно обрабатывается специальной функцией для представления в шестнадцатеричном формате.

Например:

print(new Object());

Результатом будет:

java.lang.Object@92d342

В результате этот метод позволяет по текстовому описанию понять, от какого класса был порожден объект и, благодаря хеш-коду, различать разные объекты, созданные от одного класса.

Именно этот метод вызывается при конвертации объекта в текст, когда он передается в качестве аргумента оператору конкатенации строк.

finalize()

Данный метод вызывается при уничтожении объекта автоматическим сборщиком мусора (garbage collector). В классе Object он ничего не делает, однако в классе-наследнике позволяет описать все действия, необходимые для корректного удаления объекта, такие как закрытие соединений с БД, сетевых соединений, снятие блокировок на файлы и т.д. В обычном режиме напрямую этот метод вызывать не нужно, он отработает автоматически. Если необходимо, можно обратиться к нему явным образом.

В методе finalize() нужно описывать только дополнительные действия, связанные с логикой работы программы. Все необходимое для удаления объекта JVM сделает сама.

Класс String

Как уже указывалось, класс String занимает в Java особое положение. Экземпляры только этого класса можно создавать без использования ключевого слова new. Каждый строковый литерал порождает экземпляр String, и это единственный литерал (кроме null ), имеющий объектный тип.

Затем значение любого типа может быть приведено к строке с помощью оператора конкатенации строк, который был рассмотрен для каждого типа, как примитивного, так и объектного.

Еще одним важным свойством данного класса является неизменяемость. Это означает, что, породив объект, содержащий некое значение-строку, мы уже не можем изменить данное значение – необходимо создать новый объект.

String s="a";
s="b";

Во второй строке переменная сменила свое значение, но только создав новый объект класса String.

Поскольку каждый строковый литерал порождает новый объект, что есть очень ресурсоемкая операция в Java, зачастую компилятор стремится оптимизировать эту работу.

Во-первых, если используется несколько литералов с одинаковым значением, для них будет создан один и тот же объект.

String s1 = "abc";
String s2 = "abc";
String s3 = "a"+"bc";
print(s1==s2);
print(s1==s3);

Результатом будет:

true
true

То есть в случае, когда строка конструируется из констант, известных уже на момент компиляции, оптимизатор также подставляет один и тот же объект.

Если же строка создается выражением, которое может быть вычислено только во время исполнения программы, то оно будет порождать новый объект:

String s1="abc";
String s2="ab";
print(s1==(s2+"c"));

Результатом будет false, так как компилятор не может предсказать результат сложения значения переменной с константой.

В классе String определен метод intern(), который возвращает один и тот же объект-строку для всех экземпляров, равных по значению. То есть, если для ссылок s1 и s2 верно выражение s1.equals(s2), то верно и s1.intern()==s2.intern().

Разумеется, в классе переопределены методы equals() и hashCode(). Метод toString() также переопределен и возвращает он сам объект-строку, то есть для любой ссылки s типа String, не равной null, верно выражение s==s.toString().

Класс Class

Наконец, последний класс, который будет рассмотрен в этой лекции.

Класс Class является метаклассом для всех классов Java. Когда JVM загружает файл .class, который описывает некоторый тип, в памяти создается объект класса Class, который будет хранить это описание.

Например, если в программе есть строка

Point p=new Point(1,2);

то это означает, что в системе созданы следующие объекты:

1. объект типа Point, описывающий точку (1,2) ;
2. объект класса Class, описывающий класс Point ;
3. объект класса Class, описывающий класс Object. Поскольку класс Point наследуется от Object, его описание также необходимо;
4. объект класса Class, описывающий класс Class. Это обычный Java-класс, который должен быть загружен по общим правилам.

Одно из применений класса Class уже было рассмотрено – использование метода getClass() класса Object. Если продолжить последний пример с точкой:

Class cl=p.getClass();   
   // это объект №2 из списка
Class cl2=cl.getClass();   
   // это объект №4 из списка
Class cl3=cl2.getClass();   
   // опять объект №4

Выражение cl2==cl3 верно.

Другое применение класса Class также приводилось в примере применения технологии reflection.

Кроме прямого использования метакласса для хранения в памяти описания классов, Java использует эти объекты и для других целей, которые будут рассмотрены ниже (статические переменные, синхронизация статических методов и т.д.).