Java知识点小结2：对象的内存管理

注：本文是对《疯狂Java面试讲义》的小结。

局部变量和成员变量

Java的变量可分为局部变量和成员变量。

局部变量存储在栈内存中，而成员变量是对象的一部分，存储在堆内存中。

局部变量

局部变量可分为：

• 形参：

    public void f1(int i) {
    
    
        if (i > 0) {
    
    
            ......
        }
    }

本例中的 i 是形参，它是局部变量。

• 方法内的局部变量：

    public void f2() {
    
    
        int j = 0;
        ......
    }

本例中的 j 是方法内的局部变量。

注意：方法内的局部变量在使用前必须显式初始化。

        // 在定义变量时初始化
        int i = 0; // OK
        
        // 在定义变量时没有初始化，但在使用前确保其有值
        int j;
        j = 0; // OK
        
        // 变量没有初始化，就直接使用，编译报错
        int k;
        System.out.println(k); // 编译错误

注：成员变量无需初始化，会自动赋初值（0、false、null等）。

• 代码块内的局部变量：

public class MyClass {
    
    
    {
    
    
        int i = 0;
        ......
    }
    ......
}

注意：代码块内的局部变量和方法内的局部变量类似，在使用前必须显式初始化。

成员变量

成员变量又分为实例变量和类变量。

• 实例变量：属于实例，每个实例有各自的成员变量
• 类变量：属于类，整个类只有一个成员变量。类变量用 static 修饰

public class MyClass {
    
    
    private int i; // 实例变量
    private static int j; // 类变量
    ......
}

注： static 可以修饰类里面定义的成员，包括成员变量、方法、内部类、初始化代码块等。 static 不能修饰类、局部变量、局部内部类等。

Java变量必须“先定义，后使用”。

• 例1：实例变量的非法前向引用：

    private int i = j + 1; // 编译错误
    private int j = 0;

• 例2：类变量的非法前向引用：

    private static int i = j + 1; // 编译错误
    private static int j = 0;

• 例3：实例变量可以前向引用类变量

    private int i = j + 1; // OK
    private static int j = 0;

例3没有问题，这是因为类变量是随着类初始化，而实例变量是随着实例初始化，所以类变量总是在实例变量初始化之前就已经初始化好了。

注：获取Class实例的几种方法（假定有 Person 类和其 person 实例）：

• Class.forName("Person") // 注意要用类名全称
• Person.class
• person.getClass()

实例变量和类变量的初始化

实例变量的初始化

实例变量可以在以下几处做初始化操作：

• 1：定义实例变量时
• 2：初始化块（非静态）
• 3：构造器

public class Person {
    
    
    // 1：定义实例变量时初始化
    private String name = "Tom";

    // 2：初始化块
    {
    
    
        name = "Jerry";
    }

    public String getName() {
    
    
        return name;
    }

    // 3：构造器
    public Person(String name) {
    
    
        this.name = name;
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        System.out.println(new Person().getName()); // Jerry
        System.out.println(new Person("LiSi").getName()); // Lisi
    }
}

1（定义时初始化）和2（初始化块）比3（构造器）要更早执行。事实上，编译器会把1和2的代码放在构造器里，并且是放在最上面。

1和2的执行顺序，是按照其代码的自然顺序。

本例中1在前2在后，所以先执行1，再执行2。

注意：如果把1和2的顺序交换一下，会不会报错呢？

    ......
    // 初始化块
    {
    
    
        name = "Jerry";
    }

    // 定义实例变量时初始化
    private String name = "Tom";
    ......

前面提到，“初始化块”和“定义时初始化”，哪个在前就先执行哪个，那么，修改之后，在执行初始化块时，会不会报错说 name 未定义呢？

答案是没有问题。这是因为创建对象时，会先把实例变量创建出来（内存角度），然后再初始化（赋值角度）。

总结：创建对象实例时，会先把实例变量创建出来（分配内存），然后再初始化其值。其中初始化块和定义时初始化，会按其本身顺序，放到构造器的最前面来执行。

类变量的初始化

类变量的初始化类似于实例变量的初始化（只不过没有构造器）：

• 定义类变量时初始化
• 初始化块（静态）

这二者，哪个在前就先执行哪个。

public class Book {
    
    
    static {
    
    
        price = 30.0;
    }

    static double price = 20.0;

    public static void main(String[] args) {
    
    
        System.out.println(Book.price); // 20.0
    }
}

构造器

类一定有构造器（如果没有，系统会添加一个隐式的无参构造器）。

父类构造器一定会执行（从Object开始，往下一层一层的执行）。

父类构造器一定在当前类构造器的最前面执行。

可分为以下几种情况：

• 第一行代码为 super() ，显式调用父类的指定构造器
• 第一行代码为 this() ，显式调用当前类的指定构造器（在指定构造器里，还是会先执行父类构造器）
• 第一行代码不调用 super() 和 this() ，则在最前面隐式调用父类的无参构造器（即 super() ）

注意： super() 和 this() 只能在构造器中使用，并且只能用在第一行代码。二者最多只能调用一次，且不能同时使用。

考一考：前面提到，如果构造器里没有显式调用 super() ，则会在构造器最前面隐式调用父类的无参构造器 super() ，假如父类只有有参的构造器，会怎么样呢？

答案是会编译报错。看下面的例子：

class A {
    
    
    public A(String name) {
    
    
        System.out.println(name);
    }
}

class B extends A {
    
    
    
}

由于子类B没有构造器，系统会添加一个默认的无参构造器。在此构造器中，会调用父类A的无参构造器，而A没有无参构造器，所以编译报错。

父类访问子类的实例变量和方法

先看一下 this ，它指向的是对象本身。

前面提到，在创建子类对象时，一定会调用父类的构造器，如果父类构造器里面有 this，这个this指向的是谁呢？答案是子类对象。

class A {
    
    
    public A() {
    
    
        System.out.println("A::" + this.getClass().getName());
    }
}

class B extends A {
    
    
    public B() {
    
    
        System.out.println("B::" + this.getClass().getName());
    }
}

public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        new B();
    }
}

运行结果如下：

A::package1.B
B::package1.B

可见，父类构造器里的this，指向的是子类对象，这是因为new的是子类对象，父类构造器是被子类对象的构造器所调用的。

下面举一些例子。

• 例1：

class A {
    
    
    private String str1 = "hi";

    public void f() {
    
    
        System.out.println(this.str1);
    }
}

class B extends A {
    
    
    private String str2 = "hello";

    public void f() {
    
    
        System.out.println(this.str2);
    }
}

public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        A a1 = new A();
        a1.f(); // hi

        A a2 = new B();
        a2.f(); // hello
    }
}

这个例子很典型，没有任何问题。

• 例2：改为在父类构造器里调用 f() 方法：

class A {
    
    
    private String str1 = "hi";

    public void f() {
    
    
        System.out.println(this.str1);
    }

    public A() {
    
    
        this.f();
    }
}

class B extends A {
    
    
    private String str2 = "hello";

    public void f() {
    
    
        System.out.println(this.str2);
    }
}

public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        new B(); // null
    }
}

奇怪的是，输出结果变成null了。

这是因为，在创建B对象时，首先调用父类的构造器，父类构造器里调用了 this.f() 方法。前面提到，this实际指向的是B对象，且 f() 方法被子类override了，所以调用的是子类的 f() 方法。而 str2 此时还没有初始化（先分配内存，再初始化，初始化是按从父类到子类的顺序操作的），所以是null值。

这个例子告诉我们，最好不要在构造器里调用实例方法。

• 例3：子类和父类同名的成员变量

class A {
    
    
    private String str1 = "hi";

    public void f() {
    
    
        System.out.println(this.str1);
    }

    public A() {
    
    
        this.f();
    }
}

class B extends A {
    
    
    private String str1 = "hello";
}

public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        new B(); // hi
    }
}

本例中，创建B对象时，先调用父类A的构造器，在构造器里调用 this.f() 方法，由于子类没有override该方法，所以调用的是父类的 f() 方法。问题在于，这里的 str1 是父类的还是子类的？

从实际运行结果可见，这里的 str1 是父类的。这是因为实例变量不存在override之说，this虽然指向子类，但编译期是父类类型，所以是父类的 str1 。

换句话说，在父类和子类里，实例变量即使同名，也是两个截然不同的变量，没有什么关联。父类不知道子类，更不可能知道子类的成员变量，所以在父类方法里，使用的一定是父类的成员变量。

想象一下，如果子类有成员变量 str2 ，而在父类的 f() 方法里使用 str2 ，显然会编译报错。

所以，获取“在父子类里同名的成员变量”时，是根据编译期的类型而定的。如果编译类型是子类，则会把父类的同名成员变量给“隐藏”掉。

这个例子告诉我们，父类成员变量和子类成员变量最好不要同名，徒增混淆。

总结：

• this指向是对象本身。构造器（包括父类和子类构造器）里的this，指向的是实际创建的对象。
• 通过this指针访问对象的实例变量时，由声明该变量的类型决定（编译期）
• 通过this指针访问对象的实例方法时，由实际的对象来决定（运行期）

考一考

下面代码的输出结果是什么？

class A {
    
    
    String name = "Hi";

    public void display() {
    
    
        System.out.println(this.name);
    }
}

class B extends A {
    
    
    String name = "Hello";

    @Override
    public void display() {
    
    
        System.out.println(this.name);
    }
}

public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        A a1 = new A();
        System.out.println(a1.name);
        a1.display();

        B b1 = new B();
        System.out.println(b1.name);
        b1.display();

        A a2 = new B();
        System.out.println(a2.name);
        a2.display();

        A a3 = b1;
        System.out.println(a3.name);
        a3.display();
    }
}

答案为：

Hi
Hi

Hello
Hello

Hi
Hello

Hi
Hello

• a1：编译类型为A，实际类型也为A，所以name和display()都是A的
• b1：编译类型为B，实际类型也为B，所以name和display()都是B的
• a2：编译类型为A，实际类型为B，所以name是A的，display()是B的
• a3：编译类型为A，实际类型为B，所以name是A的，display()是B的

本例中，为了混淆，故意令A和B的成员变量名都叫 name 。虽然a3和b1实际指向同一对象，但 a3.name 和 b1.name 是不同的变量（编译类型是子类时，子类的name把父类的name隐藏掉了）。如果二者叫不同的名字，代码就会清晰一些。

方法则相对简单一些：不管编译期类型是什么，只看实际对象是什么，就调用它的方法。

super

如果在子类中显式指定 super.xxx 或 super.xxx() ，则会访问其父类的成员变量或方法。

super仍然是指向实际对象的，其编译类型是父类。

使用super，就可以访问被子类隐藏掉的同名父类成员变量，或者指定父类的方法。

父子类的类变量

• 可以通过类名来访问类变量
• 也可以通过super来访问父类的类变量

final修饰符

• final修饰变量：变量赋初值后，不能重新赋值
• final修饰方法：不能被子类override
• final修饰类：不能被继承

final修饰变量

• final修饰实例变量
  • 定义变量时指定初始值
  • 在初始化块（非静态）中指定初始值
  • 在构造器中指定初始值
• final修饰类变量
  • 定义变量时指定初始值
  • 在初始化块（静态）中指定初始值
• final修饰局部变量
  • 定义变量时指定初始值

注意：以实例变量为例，虽然可以在多个地方指定初始值，但是对一个变量，只能在一处指定初始值，不能在多处赋值。

用final修饰的变量，如果定义变量时指定初始值，而且这个初始值在编译期能确定下来，那么这个变量将不再是一个变量，而是会被当作“宏变量”，也就是所有出现该变量的地方，直接用其值来替换。比如：

    final int i = 123;
    final int j = 1 + 3;
    final String str = "abc" + "def";

literal字符串

Java会将literal字符串缓存在字符串池中。

        String str1 = "hello";
        String str2 = "hello";
        System.out.println(str1 == str2); // true

本例中，str1和str2指向同一个对象。

        String str1 = "hello";
        String str2 = "he" + "llo";
        System.out.println(str1 == str2); // true

本例中，str1和str2指向同一个对象，因为str2的值在编译期可确定。

final修饰方法

final修饰的方法不能被override。

class A {
    
    
    final void f() {
    
    }
}

class B extends A {
    
    
    void f() {
    
    } // 编译错误
}

但是下面这个例子是OK的：

class A {
    
    
    private final void f() {
    
    }
}

class B extends A {
    
    
    void f() {
    
    } // OK
}

这是因为父类的private方法对子类是不可见的，所以子类可以定义同名方法（不是override，不能添加 @Override 注解）。

不过，这里的final没什么意义，因为private方法本来就无法override。

内部类中的局部变量

如果在内部类中使用局部变量，则该变量默认有final修饰。

比如：

interface A {
    
    
    void f();
}

public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        int i = 123;
        A a = new A() {
    
    
            @Override
            public void f() {
    
    
                System.out.println(i);
            }
        };
        a.f(); // 123
    }
}

本例中，在匿名内部类中使用了外部的局部变量i。

如果试图修改变量的值，则编译错误。比如：

interface A {
    
    
    void f();
}

public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        int i = 123;
        new A() {
    
    
            @Override
            public void f() {
    
    
                i++; // 编译错误
            }
        };
    }
}

编译错误如下：

Variable 'i' is accessed from within inner class, needs to be final or effectively final

同理，如果在外部类中试图修改i的值，也会编译报错：

interface A {
    
    
    void f();
}

public class Test {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        int i = 123;
        new A() {
    
    
            @Override
            public void f() {
    
    
                System.out.println(i); // 编译错误
            }
        };
        i++;
    }
}

Lambda也有同样的问题：

        int i = 123;

        Logger.getLogger("MyLogger").info(() -> "i = " + i); // 编译错误

        i++;

看来想在log里打印一下某个变量的值，还不太容易呢。

一个比较土的解决办法是，为了记log，再定义一个临时变量：

        int i = 123;
        int j = i;

        Logger.getLogger("MyLogger").info(() -> "i = " + j);
        
        i++;

至于为什么有此限制，是因为局部变量的作用域本来是在方法里的，但是内部类或Lambda可能产生隐式的闭包（Closure），闭包使得局部变量脱离它所在的方法而继续存在，也就是扩大了局部变量的作用域，将会引起混乱。所以Java要求内部类和Lambda所访问的局部变量必须是final的（如果不写，Java会自动加上）。