吃人的那些 Java 名詞:物件、引用、堆、棧

沉默王二發表於2019-11-06

作為一個有著 8 年 Java 程式設計經驗的 IT 老兵,說起來很慚愧,我被 Java 當中的四五個名詞一直困擾著:物件、引用、堆、棧、堆疊(棧可同堆疊,因此是四個名詞,也是五個名詞)。每次我看到這幾個名詞,都隱隱約約覺得自己在被一隻無形的大口慢慢地吞噬,只剩下滿地的衣服碎屑(為什麼不是骨頭,因為骨頭也好吃)。

記得中學的課本上,有一篇名為《狂人日記》課文;那時候根本理解不了魯迅寫這篇文章要表達的中心思想,只覺得滿篇的“吃人”令人心情壓抑;老師在講臺上慷慨激昂的講,大多數的同學同我一樣,在課本面前“痴痴”的發呆。

十幾年後,再讀《狂人日記》,恍然如夢:

魯迅先生以狂人的口吻,再現了動亂時期下中國人的精神狀態,視角新穎,文筆細膩又不乏辛辣之味。

當時的中國,混亂成了主色調。以清廷和孔教為主的封建舊思想還在潛移默化地影響著人們的思想,與此同時以革命和新思潮為主的現代思想已經開始了對大眾靈魂的洗滌和衝擊。

最近,和沉默王二技術交流群(120926808)的群友們交流後,Java 中那四五個會吃人的名詞:物件、引用、堆、棧、堆疊,似乎在腦海中也清晰了起來,儘管疑惑有時候仍然會在陰雲密佈時跑出來——正鑑於此,這篇文章恰好做一下歸納。

一、物件和引用

在 Java 中,儘管一切都可以看做是物件,但計算機操作的並非物件本身,而是物件的引用。 這話乍眼一看,似懂非懂。究竟什麼是物件,什麼又是引用呢?

先來看物件的定義:按照通俗的說法,每個物件都是某個類(class)的一個例項(instance)。那麼,例項化的過程怎麼描述呢?來看程式碼(類是 String):

new String("我是物件張三");
new String("我是物件李四");
複製程式碼

在 Java 中,例項化指的就是通過關鍵字“new”來建立物件的過程。以上程式碼在執行時就會建立兩個物件——"我是物件張三"和"我是物件李四";現在,該怎麼操作他們呢?

去過公園的同學應該會見過幾個大爺,他們很有一番本領——個個都能把風箏飛得老高老高,徒留我們眼饞的份!風箏飛那麼高,沒辦法直接用手拽著飛啊,全要靠一根長長的看不見的結實的繩子來牽引!操作 Java 物件也是這個理,得有一根繩——也就是接下來要介紹的“引用”(我們肉眼也常常看不見它)。

String zhangsan, lisi;
zhangsan = new String("我是物件張三");
lisi = new String("我是物件李四");
複製程式碼

這三行程式碼該怎麼理解呢?

先來看第一行程式碼:String zhangsan, lisi;——宣告瞭兩個變數 zhangsan 和 lisi,他們的型別為 String。

①、==歧義==:zhangsan 和 lisi 此時被稱為引用。

你也許聽過這樣一句古文:“神之於形,猶利之於刀;未聞刀沒而利存,豈容形亡而神在?”這是無神論者範縝(zhen)的名言,大致的意思就是:靈魂對於肉體來說,就像刀刃對於刀身;從沒聽說過刀身都沒了刀刃還存在,那麼怎麼可能允許肉體死亡了而靈魂還在呢?

“引用”之於物件,就好比刀刃之於刀身,物件還沒有建立,又怎麼存在物件的“引用”呢?

如果 zhangsan 和 lisi 此時不能被稱為“引用”,那麼他們是什麼呢?答案很簡單,就是變數啊!(鄙人理解)

②、==誤解==:zhangsan 和 lisi 此時的預設值為 null

應該說 zhangsan 和 lisi 此時的值為 undefined——借用 JavaScript 的關鍵字;也就是未定義;或者應該是一個新的關鍵字 uninitialized——未初始化。但不管是 undefined 還是 uninitialized,都與 null 不同。

既然沒有初始化,zhangsan 和 lisi 此時就不能被使用。假如強行使用的話,編譯器就會報錯,提醒 zhangsan 和 lisi 還沒有出生(初始化);見下圖。

吃人的那些 Java 名詞:物件、引用、堆、棧

如果把 zhangsan 和 lisi 初始化為 null,編譯器是認可的(見下圖);由此可見,zhangsan 和 lisi 此時的預設值不為 null

吃人的那些 Java 名詞:物件、引用、堆、棧

再來看第二行程式碼:zhangsan = new String("我是物件張三");——建立“我是物件張三"的 String 類物件,並將其賦值給 zhangsan 這個變數。

此時,zhangsan 就是"我是物件張三"的引用;“=”操作符賦予了 zhangsan 這樣神聖的權利。

第三行程式碼 lisi = new String("我是物件李四");和第二行程式碼 zhangsan = new String("我是物件張三");同理。

現在,我可以下這樣一個結論了——物件是通過 new 關鍵字建立的;引用是依賴於物件的;= 操作符把物件賦值給了引用

我們再來看這樣一段程式碼:

String zhangsan, lisi;
zhangsan = new String("我是物件張三");
lisi = new String("我是物件李四");
zhangsan = lisi;
複製程式碼

zhangsan = lisi; 執行過後,zhangsan 就不再是"我是物件張三"的引用了;zhangsan 和 lisi 指向了同一個物件("我是物件李四");因此,你知道 System.out.println(zhangsan == lisi); 列印的是 false 還是 true 了嗎?

二、堆、棧、堆疊

誰來告訴我,為什麼有很多地方(書、部落格等等)把棧叫做堆疊,把堆疊叫做棧?搞得我都頭暈目眩了——繞著門柱估計轉了 80 圈,不暈才怪!

我查了一下金山詞霸,結果如下:

吃人的那些 Java 名詞:物件、引用、堆、棧

我的天吶,更暈了,有沒有!怎麼才能不暈呢?我這裡有幾招武功祕籍,你們儘管拿去一睹為快:

1)以後再看到堆、棧、堆疊三個在一起打牌的時候,直接把“堆疊”踢出去;這仨人不適合在一起玩,因為堆和棧才是老相好;你“堆疊”來這插一腳算怎麼回事;這世界上只存在“堆、棧”或者“堆疊”(標點符號很重要哦)。

2)堆是在程式執行時在記憶體中申請的空間(可理解為動態的過程);切記,不是在編譯時;因此,Java 中的物件就放在這裡,這樣做的好處就是:

當需要一個物件時,只需要通過 new 關鍵字寫一行程式碼即可,當執行這行程式碼時,會自動在記憶體的“堆”區分配空間——這樣就很靈活。

另外,需要記住,堆遵循“先進後出”的規則(此處有雷)。就好像,一個和尚去挑了一擔水,然後把一擔水裝缸裡面,等到他口渴的時候他再用瓢舀出來喝。請放肆地開啟你的腦洞腦補一下這個流程:缸底的水是先進去的,但後出來的。所以,我建議這位和尚在缸上貼個標籤——保質期 90 天,過期飲用,後果自負!

還是記不住,看下圖:

吃人的那些 Java 名詞:物件、引用、堆、棧

(不好意思,這是鼎,不是缸,將就一下哈)

3)棧,又名堆疊(簡直了,完全不符合程式設計師的思維啊,我們程式設計師習慣說一就是一,說二就是二嘛),能夠和處理器(CPU,也就是腦子)直接關聯,因此訪問速度更快;舉個十分不恰當的例子哈——眼睛相對嘴巴是離腦子近的一方,因此,你可以一目十行,但絕對做不到一開口就讀十行字,哪怕十個字也做不到

既然訪問速度快,要好好利用啊!Java 就把物件的引用放在棧裡。為什麼呢?因為引用的使用頻率高嗎?

不是的,因為 Java 在編譯程式時,必須明確的知道儲存在棧裡的東西的生命週期,否則就沒法釋放舊的記憶體來開闢新的記憶體空間存放引用——空間就那麼大,前浪要把後浪拍死在沙灘上啊。

現在清楚堆、棧和堆疊了吧?

三、基本資料型別

先來看《Java 程式設計思想》中的一段話:

在程式設計中經常用到一系列型別,他們需要特殊對待。之所以特殊對待,是因為 new 將物件儲存於“堆”中,故用 new 建立一個物件──特別小、簡單的變數,往往不是很有效。因此,不用new來建立這類變數,而是建立一個並非是引用的變數,這個變數直接儲存值,並置於棧中,因此更加高效。

在 Java 中,這些基本型別有:boolean、char、byte、short、int、long、float、double 和 void;還有與之對應的包裝器:Boolean、Character、Byte、Short、Integer、Long、Float、Double 和 Void;它們之間涉及到裝箱和拆箱,點選連結。

看兩行簡單的程式碼:

 int a = 3;
 int b = 3;
複製程式碼

這兩行程式碼在編譯的時候是什麼樣子呢?

編譯器當然是先處理 int a = 3;,不然還能跳過嗎?編譯器在處理 int a = 3; 時在棧中建立了一個變數為 a 的記憶體空間,然後查詢有沒有字面值為 3 的地址,沒找到,就開闢一個存放 3 這個字面值的地址,然後將 a 指向 3 的地址。

編譯器忙完了 int a = 3;,就來接著處理 int b = 3;;在建立完 b 的變數後,由於棧中已經有 3 這個字面值,就將 b 直接指向 3 的地址;就不需要再開闢新的空間了。

依據上面的概述,我們假設在定義完 a 與 b 的值後,再令 a=4,此時 b 是等於 3 呢,還是 4 呢?

思考一下,再看答案哈。

答案揭曉:當編譯器遇到 a = 4;時,它會重新搜尋棧中是否有 4 的字面值,如果沒有,重新開闢地址存放 4 的值;如果已經有了,則直接將 a 指向 4 這個地址;因此 a 值的改變不會影響到 b 的值哦。

最後,留個作業吧,下面這段程式碼在執行時會輸出什麼呢?

public class Test1 {
    public static void main(String args[]) {
        int a = 1;
        int b = 1;

        a = 2;

        System.out.println(a);
        System.out.println(b);

        TT t = new TT("T");
        TT t1 = t;
        t.setName("TT");


        System.out.println(t.getName());
        System.out.println(t1.getName());
    }
}

class TT{
    private String name;

    public TT (String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return this.name;
    }

    public void setName(String name1) {
        this.name = name1;
    }
}
複製程式碼

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