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类和对象

参考资料：《Java从入门到精通》/明日科技编著. 4版. 北京：清华大学出版社，2016

一、面向对象概述

面向对象是一种开发思想，它将所有预处理的问题抽象成对象，同时了解这些对象具有哪些相应的属性和行为，以解决这些对象面临的实际问题。

1、对象

• 对象是指事实存在的实体，如桌子、电脑、手机等；
• 通常将对象划分为两个部分，即静态部分和动态部分；
• 静态部分被称为“属性”，动态部分称为“行为”。
• 在Java语言中，对象的属性是以成员变量的形式定义的，对象的行为是以方法的形式定义的；
• 在Java语言中，对象就是符合某个类的定义所产生出来的实体。

2、类

• 类是具有相同特性和行为的一类事物；
• 类是描述某一类事物的统称；
• 类是封装对象的属性和行为的载体，例如鸟类封装了所有鸟的共同属性和应有的行为。

3、封装

面向对象程序设计有3个特点：

• 封装性
• 继承性
• 多态性

封装的思想就是将对象的属性和行为封装起来，其载体就是类，类通常对客户隐藏其实现的细节。采用封装思想保证了类内部数据结构的完整性，应用该类的用户不能轻易地直接操作此数据结构，避免了外部操作对内部数据地影响，提高了程序地可维护性。

4、继承

类与类之间同样具有关系，类之间地这种关系叫做关联，如教师类与学生类就是一个关联。两个类之间的关系有多种，继承只是关联的一种。

在处理一个问题时，可以将一些有用的类保存下来，遇到相同问题时拿来复用。比如处理信鸽送信问题时，创建信鸽类时可以将鸟类拿来复用，保留鸟类的属性和方法，再添加一些信鸽具有的独特属性和行为。这样就节省了定义鸟类和信鸽类的共同属性和行为的时间，这就是继承的基本思想。

在Java语言中，将类似于信鸽类的类称为子类，将类似于鸟类的类称为父类或超类。值得注意的是，可以说信鸽是鸟，但不能说鸟是信鸽，也就是说子类的实例都是父类的实例，但不能说父类的实例是子类的实例，

在继承体系中，一个类既可以是其他类的父类，为其他类提供属性和行为，也可以是其他类的子类，继承父类的属性和方法。比如老虎是猫科类的子类，也是东北虎的父类。

5、多态

• 其实将父类对象应用于子类的特征就是多态；
• 多态的实现并不依赖具体类，而是依赖于抽象类和接口；
• 抽象类并不能实例化对象。
• 在多态机制中，父类通常被定义为抽象类，在抽象类中给出一个方法的标准，而不能给出具体的实现流程，实际上这个方法也是抽象的，并没有给出具体的流程。
• 在多态的机制中，比抽象类更方便的方法是将抽象类定义为接口，由抽象方法组成的集合就是接口。

二、类

1、成员变量

在Java中，对象的属性也称为成员变量。下面通过代码的形式来了解成员变量，以及在类中成员变量所处的位置。

public class Book {
    //定义String类型的成员变量
    private String name;
    //定义一个getName()方法
    public String getName(){
        int d = 0;   //局部变量
        setName("Java");   //调用类中的其他方法
        return id + this.name;
    }
    ////定义一个setName()方法
    public void setName(String name){
        //将参数值赋予类中的成员变量
        this.name = name;
    }
    //返回Book类引用
    public Book getBook(){
        return this;
    }
}

2、成员方法

在Java中，成员方法对应于类对象的行为。定义成员方法的语法格式如下：

权限修饰符  返回值类型  方法名（参数类型  参数名）{
    方法体
    return 返回值;
}

• 成员方法可以没有参数，也可以有参数，这个参数可以是对象，也可以是基本数据类型的变量；
• 成员方法有返回值和不返回任何值的选择，如果需要返回值，在方法体中加入return关键字；
• 成员方法无任何返回值，可以使用void关键字表示；
• 在成员方法中可以调用其他成员方法和类成员变量。
• 类成员变量和类方法可以统称为类成员。

3、权限修饰符

Java中的权限修饰符包括public、private和protected，这些修饰符控制着对类和类成员变量以及成员方法的访问。

• 被修饰为privat的类成员变量或成员方法，则该成员变量或成员方法只能在本类中被使用，在子类中是不可见的，并且对其他类也是不可见的。
• 被修饰为public的类成员变量或成员方法，则该成员变量或成员方法除了在本类可以使用外，还可以在其他子类和其他包的类中使用。
• 如果一个类的访问权限被设置成了private，那么这个类将隐藏其中所有的数据，以免用户直接访问它。
• 如果一个类的访问权限被设置成了protected，那么只有本包内的类可以访问此类中的成员变量和成员方法。

注意：当声明类时没有使用public、private和protected修饰符，则这个类预设为protected权限，即只有一个包内的类可以调用此类的成员变量和成员方法。

//在com.xuliang包下创建Xu类
package com.xuliang;

class Xu {
    public String getName(){
        int id = 0;  
        return id;
    }
}

上述代码中，由于类的修饰符为默认修饰符，即只有一个包内的其他类和子类可以访问该类，可以而getName()方法却又被设置成了public权限，即使这样，getName()方法的访问权限依然与Xu类的权限相同。

注意：在Java语言中，类的权限设定会约束成员的权限设定。

4、局部变量

在成员方法内定义一个变量，那么这个变量被称为局部变量。

    public String getName(){
        int id = 0;   //局部变量
        setName("Java");   //调用类中的其他方法
        return id + this.name;
    }
    
    public void setName(String name){
        //将参数值赋予类中的成员变量
        this.name = name;
    }

上述代码中，getName()方法的id变量即为局部变量。实际上方法中的形参也可作为一个局部变量，如setName(String name)方法中的String name就被看作一个局部变量。

• 局部变量在方法被执行时创建，在方法执行结束时被销毁；
• 局部变量在使用时必须进行赋值操作或者初始化，否则会出现编译错误。

5、局部变量的有效范围

局部变量的有效范围称为变量的作用域。

public String getName(){
    int id = 0;   //局部变量
    for (int i = 0; i < 10; i++) {   
        System.out.println(i);       
    }

• 局部变量id的作用域为getName()方法中；
• 局部变量i的作用域为for循环中；
• 在互不嵌套的作用域中，可以同时声明两个名称和类型相同的局部变量。

public String getName(){
    int id = 0;   //局部变量
    for (int i = 0; i < 10; i++) {   //定义局部变量i
        System.out.println(i);        
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {   //定义局部变量i
        System.out.println(i);       
    }

6、this关键字

    public void setName(String name){
        //this.name代表此类的name成员变量
        this.name = name;    //将参数值赋予类中的成员变量
    }

在Java语言中，规定了使用this关键字来代表本类对象的引用，this关键字可以调用成员变量和成员方法。事实上，this引用的就是本类的一个对象，当局部变量与成员变量重名时，如上述代码的情况，就要引入this关键字来明确引用的是类成员还是局部变量。

this关键字除了可以调用成员变量和成员方法外，还可以作为成员方法的返回值。

    public Xu getBook(){
        return this;  //返回Xu类引用
    }

在上述代码中，getBook()方法的返回值类型为Xu类，所以方法体中使用return this这种形式将Xu类的对象进行返回。

7、类的构造方法

• 在一个类中，除了成员方法外，还存在一种特殊的方法，那就是构造方法。
• 构造方法是一个与类同名的的方法，对象的创建就是通过构造方法完成的。
• 每当类实例化一个对象时，类就会自动调用构造方法。

构造方法的特点：

1. 构造方法没有返回值；
2. 构造方法的名称与本类的名称相同。

注意：构造方法没有返回值，但构造方法并不需要使用void关键字进行修饰。

public class Book{
    public Book(){
        ...//构造方法体
    }
}

• public：构造方法的修饰符。
• Book：构造方法的名称。

1. 在构造方法体中可以为成员变量赋值，这样当实例化一个本类的对象时，相应的成员变量也将被初始化。
2. 如果类中没有明确定义构造方法，编译器就会自动创建一个不带参数的默认构造方法。

注意：只有在类中没有定义任何构造方法时，编译器才会在该类中自动创建一个不带参数的构造方法。

事实上，this关键字还可以调用类中的构造方法，如下所示：

public class Book{
    public Book(){                    //定义无参构造函数
        this("this调用有参构造函数")   //使用this调用有参构造函数
        System.out.println("这是无参构造函数");
    }
    
    public Book(String name){          //定义有参构造函数
        System.out.println("这是有参构造函数");
    }
}

注意：只可以在无参构造方法中的第一句使用this调用有参构造函数。

三、静态变量、常量和方法

先介绍static关键字，因为由static修饰的变量、常量和方法被称为静态变量、静态常量和静态方法。

在处理问题时，可能会遇到这样的情况：在球类中需要用到PI这个常量，可能圆类也需要使用这个常量，这时没有必要在两个类中同时创建PI常量，因为这样系统会将不同类中定义的常量分配到不同的内存空间。为了解决这个问题，可以将PI常量设为静态的。

被声明为static的变量、常量和方法统称为静态成员。静态成员属于类所有，区别于个别对象，可以在本类或者其他类中使用“类名.静态成员”的方式调用该类的静态成员。

类名.静态成员

package com.xuliang;

public class StaticTest {
    //定义静态常量
    final static double PI = 3.1415;
    //定义静态变量
    static int id;
    //定义静态方法
    public static void method(){
        System.out.println("hello");
    }
    
    public void test(){
        //调用静态常量
        System.out.println(StaticTest.PI);
        //调用静态变量
        System.out.println(StaticTest.id);
        //调用静态方法
        StaticTest.method();
    }
}

注意：虽然静态成员也可以使用“对象.静态成员”的方式调用，但通常不建议这样的形式，因为这样容易混淆静态成员和非静态成员。

静态数据和静态方法的作用通常是为了提供共享数据或方法，如数学计算公式等。尽管使用这种方式调用静态成员比较方便，但静态成员同样遵循着public、private和protected修饰符的约束。

package com.xuliang;

public class StaticTest {
    //定义静态常量
    final static double PI = 3.1415;
    //定义静态变量
    static int id;
    //定义静态方法
    public static void method(){
        System.out.println("hello");
    }
    
    //定义非静态方法
    public void test(){
        //调用静态常量
        System.out.println(StaticTest.PI);
        //调用静态变量
        System.out.println(StaticTest.id);
        //调用静态方法
        StaticTest.method();
    }
    
   //定义静态方法 
    public static StaticTest method2(){
        method();      //调用非静态方法（错误代码）
        return this;   //在return中使用this关键字（错误代码）
    }
}

输入上述代码后，编译器会发生错误，这是因为method2()方法是一个静态方法，而在其方法体中调用了非静态方法和this关键字。

在Java语言中，对静态方法有两点规定：

1. 在静态方法中不可以使用this关键字；
2. 在静态方法中不可以调用非静态方法。

注意：Java语言规定，不能将方法体中的局部变量声明为static。

技巧：如果在执行类时，希望先执行类的初始化动作，可以使用static定义一个静态区域，如下所示：

public class example{
    static{
        //执行序列
    }
}
//当这段代码被执行时，首先执行static块中的代码

通过下面的例子来了解static{}代码块的作用：

public class HelloWorld {
    static {
        System.out.println("hello world!");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.exit(0);
    }
 } 
 
 输出结果：
 hello world!

在这个类中，主方法的第一句就是让程序正常结束，但是程序依然输出了“hello world!”。这是因为static语句会在main()方法调用之前执行，静态块的特点就是在类加载的时候执行，且只执行一次。

除了static{}代码块，还有匿名代码块，代码的执行顺序如下所示：

public class HelloWorld {

    //静态代码块
    static {
        System.out.println("静态代码块");
    }

    //匿名代码块
    {
        System.out.println("匿名代码块");
    }

    //构造方法
    public HelloWorld(){
        System.out.println("构造方法");
    }

    public static void main(String[] args) {
        HelloWorld helloWorld = new HelloWorld();
    }
}

 输出结果：
静态代码块
匿名代码块
构造方法

由上述执行结果可知，最先执行静态代码块，其次是匿名代码块，最后是构造方法。

四、类的主方法

主方法是类的入口点，它定义了程序从何处开始。主方法提供了对程序流向的控制，java编译器通过主方法来执行程序。主方法的格式如下所示：

public static void main(String[] args) {
    //方法体
    StaticTest staticTest = new StaticTest();
    staticTest.test();    //test()不是静态方法，必须先实例化
    
    method();    //静态方法则可以直接调用
}

主方法具有以下特性：

• 主方法是静态的，所以如果要直接在主方法中调用其他方法，则该方法必须也是静态的。
• 主方法没有返回值。
• 主方法的方法名必须为“main”。
• 主方法的形参必须为String类型数组，其中args[0]~args[n]分别代表程序的第一个参数到第n个参数，可以使用args[].length获取参数的个数。

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < args.length; i++) {
            System.out.println(args[i]);
        }

• String[] args数组的作用是接收命令行输入的参数，命令行的参数之间用空格隔开。

D:\Study\basetest\src>javac TestMain.java 
D:\Study\basetest\src>java TestMain 1 2 3
//则args[0]=1、args[1]=2、args[2]=3

注意：主方法的形式是固定的，以下形式都不能作为程序入口：

public static void main()          //必须带String[] args参数
public void main(String[] args)    //必须修饰为static
public static main(String[] args)  //返回值必须为void

五、对象

Java是一门面向对象的编程语言，对象是由类抽象出来的，所有的问题都是通过对象来处理，对象可以操作类的属性和方法来相应的问题，所以了解对象的产生、操作和消亡是十分重要的。

1、对象的创建

• 对象可以认为是在一类事物中抽象出某一特例，可以通过这个特例来处理这类事物出现的问题。
• 在Java语言中，通过new关键字来创建对象。
• 创建对象的过程，实质上是调用一次构造方法的过程。准确来说，使用new关键字调用构造方法来创建对象。

Test test = new Test();
Test test = new Test("abc");   //调用有参构造函数

其参数说明如下所示：

• Test：类名
• test：对象名
• new：创建对象的操作符
• "abc"：构造方法的参数

test对象被创建出来后，就是一个对象的引用，这个引用在内存中为对象分配了存储空间。之前介绍过，可以在构造方法中初始化成员变量，当创建对象时，自动调用构造方法。也就是说，在Java语言中初始化和创建是被捆绑在一起的。

每个对象都是相对独立的，在内存中占据独立的内存地址，并且每个对象都具有自己的生命周期。当一个对象的生命周期结束时，对象就会变成垃圾，由Java虚拟机自带的垃圾回收机制处理，不能再被使用。

注意：在Java语言中，对象和实例实际上可以通用。

public class CreateObject {
    //构造方法
    public CreateObject(){
        System.out.println("这是构造方法");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new CreateObject();    //创建对象
        CreateObject createObject = new CreateObject();   //创建对象
    }
}

输出结果：
这是构造方法
这是构造方法

上述代码中，在主方法中使用new操作符创建对象，创建对象的同时，将自动调用构造方法中的代码。

2、访问对象的属性和行为

使用new创建一个对象后，就可以使用“对象.类成员”来获取对象的属性和行为，即获取对象的成员变量和成员方法。

public class Transfer {
    //成员变量
    int id = 12;
    //成员方法
    public void call(){
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建对象
        Transfer transfer1 = new Transfer();
        Transfer transfer2 = new Transfer();
        
        //对象transfer1调用成员变量，并重新赋值
        transfer1.id = 24;
        System.out.println("transfer1对象调用成员变量id的结果：" + transfer1.id);
        //对象transfer1调用成员方法
        transfer1.call();
        
        //对象transfer2调用成员变量
        System.out.println("transfer2对象调用成员变量id的结果：" + transfer2.id);
        //对象transfer2调用成员方法
        transfer2.call();
    }
}

输出结果为：
transfer1对象调用成员变量id的结果：24
0 1 2 
transfer2对象调用成员变量id的结果：12
0 1 2 

由上述代码的执行结果可知，两个对象创建后是相对独立的，改变了transfer1对象的id值，并不会影响transfer2对象的id值。

public class Transfer {
    //定义静态成员变量
    static int id = 12;
    public void call(){
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Transfer transfer1 = new Transfer();
        Transfer transfer2 = new Transfer();

        transfer1.id = 24;
        System.out.println("transfer1对象调用成员变量id的结果：" + transfer1.id);
        transfer1.call();

        System.out.println("transfer2对象调用成员变量id的结果：" + transfer2.id);
        transfer2.call();
    }
}

输出结果为：
transfer1对象调用成员变量id的结果：24
0 1 2 
transfer2对象调用成员变量id的结果：24
0 1 2 

由上述代码执行结果可知，使用static关键字使得成员变量id的值可以被本类或其他类共享。两个对象在调用一个同一个静态变量时，都是指向同一块内存区域。

3、对象的引用

在Java语言中，尽管一切都可以看作是对象，但真正的操作标识符实质上是一个引用，语法如下所示：

类名  对象引用名称

Book  book;      //创建对象引用
book = new Book();    //创建一个对象，并与对象引用book相关联

对象引用不一定需要有一个对象相关联。

注意：引用只是存放一个对象的内存地址，并非存放一个对象。严格来说，引用和对象是不同的，但是通常情况下可以将这种区别忽略。可以简单地说book是Book类的一个对象，而事实上应该是book包含Book对象的一个引用。

4、对象的比较

在Java中有两种对象比较的方式，分别为“==”运算符和equals()方法。实质上两种方式有本质的区别。

public class Compare {
    public static void main(String[] args) {
        
        String s1 = new String("abc");
        String s2 = new String("abc");
        String s3 = s1;
        
        //使用“==”运算符进行比较
        System.out.println(s1 == s2);   //返回false
        System.out.println(s1 == s3);   //返回true
        
        //使用equals()方法进行比较
        System.out.println(s1.equals(s2));   //返回true
        System.out.println(s1.equals(s3));   //返回true
    }
}

上述代码中，s1和s3引用指向同一对象的内存地址。

5、对象的销毁

每个对象都有生命周期，当生命周期结束时，分配给该对象的内存地址将会被回收。在其他语言中需要手动回收废弃的对象，但是Java拥有一套完整的垃圾回收机制，用户不用担心废弃的对象占用内存，垃圾回收器将回收无用的但占用内存的资源。

在谈到垃圾回收机制之前，首先需要了解何种对象会被Java虚拟机视为垃圾。主要包括以下两种情况：

1. 对象引用超过其作用范围，这个对象将被视为垃圾。

{
    Example example = new Example();    //对象example超过其作用范围，将消亡
}

2. 将对象赋值为null。

{
    Example example = new Example();
    example = null;    //当对象被置为null时，将消亡
}

虽然垃圾回收机制已经很完善了，但垃圾回收器只能回收那些由new操作符创建的对象。如果某些对象不是通过new操作符在内存中获取一块内存区域，这种对象可能不能被垃圾回收机制所识别。

因此，Java中提供了一个finalize()方法，这个方法是Object类的方法，它被声明为protected，用户可以在自己的类中定义这个方法。如果用户在类中定义了finalize()方法，在垃圾回收时会首先调用该方法，在下一次垃圾回收动作发生时，才能真正回收被对象占用的内存。

说明：有一点需要明确，垃圾回收或finalize()方法不保证一定发生，如Java虚拟机内存耗损殆尽时，它是不会执行垃圾回收的。

六、实践与练习

编写一个矩形类，将长和宽作为矩形类的属性，在构造方法中将长和宽初始化，定义一个成员方法求此矩形的面积。

public class Rectangle {
    //定义成员变量
    double length;
    double width;

    //定义成员方法
    public double area(){
        //计算矩形的面积
        double sum = this.length * this.width;
        //返回计算结果
        return sum;
    }
    //定义构造方法
    public Rectangle(){
        this.length = 22.2;    //成员变量初始化
        this.width  = 14.6;    //成员变量初始化
    }
    //主方法
    public static void main(String[] args) {
        //创建对象
        Rectangle rectangle = new Rectangle();
        //调用成员方法
        double result = rectangle.area();
        //打印结果
        System.out.println(result);
    }
}

Java基础06—类和对象

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