八、复用（3）
本章概要
- final 关键字
- final 数据
- 空白 final
- final 参数
- final 方法
- final 和 private
- final 类
- final 忠告
- 类初始化和加载
- 继承和初始化
final关键字
根据上下文环境，Java 的关键字 final 的含义有些微的不同，但通常它指的是“这是不能被改变的”。防止改变有两个原因：设计或效率。因为这两个原因相差很远，所以有可能误用关键字 final。
以下几节讨论了可能使用 final 的三个地方：数据、方法和类。
final 数据
许多编程语言都有某种方法告诉编译器有一块数据是恒定不变的。恒定是有用的，如：
- 一个永不改变的编译时常量。
- 一个在运行时初始化就不会改变的值。
对于编译时常量这种情况，编译器可以把常量带入计算中；也就是说，可以在编译时计算，减少了一些运行时的负担。在 Java 中，这类常量必须是基本类型，而且用关键字 final 修饰。你必须在定义常量的时候进行赋值。
一个被 static 和 final 同时修饰的属性只会占用一段不能改变的存储空间。
当用 final 修饰对象引用而非基本类型时，其含义会有一点令人困惑。对于基本类型，final 使数值恒定不变，而对于对象引用，final 使引用恒定不变。一旦引用被初始化指向了某个对象，它就不能改为指向其他对象。但是，对象本身是可以修改的，Java 没有提供将任意对象设为常量的方法。（你可以自己编写类达到使对象恒定不变的效果）这一限制同样适用数组，数组也是对象。
下面例子展示了 final 属性的使用：
// reuse/FinalData.java
// The effect of final on fields
import java.util.*;
class Value {
int i; // package access
Value(int i) {
this.i = i;
}
}
public class FinalData {
private static Random rand = new Random(47);
private String id;
public FinalData(String id) {
this.id = id;
}
// Can be compile-time constants:
private final int valueOne = 9;
private static final int VALUE_TWO = 99;
// Typical public constant:
public static final int VALUE_THREE = 39;
// Cannot be compile-time constants:
private final int i4 = rand.nextInt(20);
static final int INT_5 = rand.nextInt(20);
private Value v1 = new Value(11);
private final Value v2 = new Value(22);
private static final Value VAL_3 = new Value(33);
// Arrays:
private final int[] a = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
@Override
public String toString() {
return id + ": " + "i4 = " + i4 + ", INT_5 = " + INT_5;
}
public static void main(String[] args) {
FinalData fd1 = new FinalData("fd1");
//- fd1.valueOne++; // Error: can't change value
fd1.v2.i++; // Object isn't constant
fd1.v1 = new Value(9); // OK -- not final
for (int i = 0; i < fd1.a.length; i++) {
fd1.a[i]++; // Object isn't constant
}
//- fd1.v2 = new Value(0); // Error: Can't
//- fd1.VAL_3 = new Value(1); // change reference
//- fd1.a = new int[3];
System.out.println(fd1);
System.out.println("Creating new FinalData");
FinalData fd2 = new FinalData("fd2");
System.out.println(fd1);
System.out.println(fd2);
}
}
输出：
fd1: i4 = 15, INT_5 = 18
Creating new FinalData
fd1: i4 = 15, INT_5 = 18
fd2: i4 = 13, INT_5 = 18
因为 valueOne 和 VALUE_TWO 都是带有编译时值的 final 基本类型，它们都可用作编译时常量，没有多大区别。VALUE_THREE 是一种更加典型的常量定义的方式：public 意味着可以在包外访问，static 强调只有一个，final 说明是一个常量。
按照惯例，带有恒定初始值的 final static 基本变量（即编译时常量）命名全部使用大写，单词之间用下划线分隔。（源于 C 语言中定义常量的方式。）
我们不能因为某数据被 final 修饰就认为在编译时可以知道它的值。由上例中的 i4 和 INT_5 可以看出，它们在运行时才会赋值随机数。示例部分也展示了将 final 值定义为 static 和非 static 的区别。此区别只有当值在运行时被初始化时才会显现，因为编译器对编译时数值一视同仁。（而且编译时数值可能因优化而消失。）当运行程序时就能看到这个区别。注意到 fd1 和 fd2 的 i4 值不同，但 INT_5 的值并没有因为创建了第二个 FinalData 对象而改变，这是因为它是 static 的，在加载时已经被初始化，并不是每次创建新对象时都初始化。
v1 到 VAL_3 变量说明了 final 引用的意义。正如你在 main() 中所见，v2 是 final 的并不意味着你不能修改它的值。因为它是引用，所以只是说明它不能指向一个新的对象。这对于数组具有同样的意义，数组只不过是另一种引用。（我不知道有什么方法能使数组引用本身成为 final。）看起来，声明引用为 final 没有声明基本类型 final 有用。
空白 final
空白 final 指的是没有初始化值的 final 属性。编译器确保空白 final 在使用前必须被初始化。这样既能使一个类的每个对象的 final 属性值不同，也能保持它的不变性。
// reuse/BlankFinal.java
// "Blank" final fields
class Poppet {
private int i;
Poppet(int ii) {
i = ii;
}
}
public class BlankFinal {
private final int i = 0; // Initialized final
private final int j; // Blank final
private final Poppet p; // Blank final reference
// Blank finals MUST be initialized in constructor
public BlankFinal() {
j = 1; // Initialize blank final
p = new Poppet(1); // Init blank final reference
}
public BlankFinal(int x) {
j = x; // Initialize blank final
p = new Poppet(x); // Init blank final reference
}
public static void main(String[] args) {
new BlankFinal();
new BlankFinal(47);
}
}
你必须在定义时或在每个构造器中执行 final 变量的赋值操作。这保证了 final 属性在使用前已经被初始化过。
final 参数
在参数列表中，将参数声明为 final 意味着在方法中不能改变参数指向的对象或基本变量：
// reuse/FinalArguments.java
// Using "final" with method arguments
class Gizmo {
public void spin() {
}
}
public class FinalArguments {
void with(final Gizmo g) {
//-g = new Gizmo(); // Illegal -- g is final
}
void without(Gizmo g) {
g = new Gizmo(); // OK -- g is not final
g.spin();
}
//void f(final int i) { i++; } // Can't change
// You can only read from a final primitive
int g(final int i) {
return i + 1;
}
public static void main(String[] args) {
FinalArguments bf = new FinalArguments();
bf.without(null);
bf.with(null);
}
}
方法 f() 和 g() 展示了 final 基本类型参数的使用情况。你只能读取而不能修改参数。这个特性主要用于传递数据给匿名内部类。这将在”内部类“章节中详解。
final 方法
使用 final 方法的原因有两个。第一个原因是给方法上锁，防止子类通过覆写改变方法的行为。这是出于继承的考虑，确保方法的行为不会因继承而改变。
过去建议使用 final 方法的第二个原因是效率。在早期的 Java 实现中，如果将一个方法指明为 final，就是同意编译器把对该方法的调用转化为内嵌调用。当编译器遇到 final 方法的调用时，就会很小心地跳过普通的插入代码以执行方法的调用机制（将参数压栈，跳至方法代码处执行，然后跳回并清理栈中的参数，最终处理返回值），而用方法体内实际代码的副本替代方法调用。这消除了方法调用的开销。但是如果一个方法很大代码膨胀，你也许就看不到内嵌带来的性能提升，因为内嵌调用带来的性能提高被花费在方法里的时间抵消了。
在最近的 Java 版本中，虚拟机可以探测到这些情况（尤其是 hotspot 技术），并优化去掉这些效率反而降低的内嵌调用方法。有很长一段时间，使用 final 来提高效率都被阻止。你应该让编译器和 JVM 处理性能问题，只有在为了明确禁止覆写方法时才使用 final。
final 和 private
类中所有的 private 方法都隐式地指定为 final。因为不能访问 private 方法，所以不能覆写它。可以给 private 方法添加 final 修饰，但是并不能给方法带来额外的含义。
以下情况会令人困惑，当你试图覆写一个 private 方法（隐式是 final 的）时，看上去奏效，而且编译器不会给出错误信息：
// reuse/FinalOverridingIllusion.java
// It only looks like you can override
// a private or private final method
class WithFinals {
// Identical to "private" alone:
private final void f() {
System.out.println("WithFinals.f()");
}
// Also automatically "final":
private void g() {
System.out.println("WithFinals.g()");
}
}
class OverridingPrivate extends WithFinals {
private final void f() {
System.out.println("OverridingPrivate.f()");
}
private void g() {
System.out.println("OverridingPrivate.g()");
}
}
class OverridingPrivate2 extends OverridingPrivate {
public final void f() {
System.out.println("OverridingPrivate2.f()");
}
public void g() {
System.out.println("OverridingPrivate2.g()");
}
}
public class FinalOverridingIllusion {
public static void main(String[] args) {
OverridingPrivate2 op2 = new OverridingPrivate2();
op2.f();
op2.g();
// You can upcast:
OverridingPrivate op = op2;
// But you can't call the methods:
//- op.f();
//- op.g();
// Same here:
WithFinals wf = op2;
//- wf.f();
//- wf.g();
}
}
输出：
OverridingPrivate2.f()
OverridingPrivate2.g()
"覆写"只发生在方法是基类的接口时。也就是说，必须能将一个对象向上转型为基类并调用相同的方法（这一点在下一章阐明）。如果一个方法是 private 的，它就不是基类接口的一部分。它只是隐藏在类内部的代码，且恰好有相同的命名而已。但是如果你在派生类中以相同的命名创建了 public，protected 或包访问权限的方法，这些方法与基类中的方法没有联系，你没有覆写方法，只是在创建新的方法而已。由于 private 方法无法触及且能有效隐藏，除了把它看作类中的一部分，其他任何事物都不需要考虑到它。
final 类
当说一个类是 final （final 关键字在类定义之前），就意味着它不能被继承。之所以这么做，是因为类的设计就是永远不需要改动，或者是出于安全考虑不希望它有子类。
// reuse/Jurassic.java
// Making an entire class final
class SmallBrain {}
final class Dinosaur {
int i = 7;
int j = 1;
SmallBrain x = new SmallBrain();
void f() {}
}
//- class Further extends Dinosaur {}
// error: Cannot extend final class 'Dinosaur'
public class Jurassic {
public static void main(String[] args) {
Dinosaur n = new Dinosaur();
n.f();
n.i = 40;
n.j++;
}
}
final 类的属性可以根据个人选择是或不是 final。同样，非 final 类的属性也可以根据个人选择是或不是 final。然而，由于 final 类禁止继承，类中所有的方法都被隐式地指定为 final，所以没有办法覆写它们。你可以在 final 类中的方法加上 final 修饰符，但不会增加任何意义。
final 忠告
在设计类时将一个方法指明为 final 看上去是明智的。你可能会觉得没人会覆写那个方法。有时这是对的。
但请留意你的假设。通常来说，预见一个类如何被复用是很困难的，特别是通用类。如果将一个方法指定为 final，可能会防止其他程序员的项目中通过继承来复用你的类，而这仅仅是因为你没有想到它被以那种方式使用。
Java 标准类库就是一个很好的例子。尤其是 Java 1.0/1.1 的 Vector 类被广泛地使用，然而它的所有方法出于"效率"考虑（然而并没有提升效率，只是幻觉）全被指定为 final ，如果不指定 final 的话，可能会更加有用。很容易想到，你可能会继承并覆写这么一个基础类，但是设计者们认为这么做不合适。有两个讽刺的原因。第一，Stack 继承自 Vector，就是说 Stack 是个 Vector，但从逻辑上来说不对。尽管如此，Java 设计者们仍然这么做，在用这种方式创建 Stack 时，他们应该意识到了 final 方法过于约束。
第二，Vector 中的很多重要方法，比如 addElement() 和 elementAt() 方法都是同步的。在“并发编程”一章中会看到同步会导致很大的执行开销，可能会抹煞 final 带来的好处。这加强了程序员永远无法正确猜到优化应该发生在何处的观点。如此笨拙的设计却出现在每个人都要使用的标准库中，太糟糕了。庆幸的是，现代 Java 容器用 ArrayList 代替了 Vector，它的行为要合理得多。不幸的是，仍然有很多新代码使用旧的集合类库，其中就包括 Vector。
Java 1.0/1.1 标准类库中另一个重要的类是 Hashtable（后来被 HashMap 取代），它不含任何 final 方法。本书中其他地方也提到，很明显不同的类是由不同的人设计的。Hashtable 就比 Vector 中的方法名简洁得多，这又是一条证据。对于类库的使用者来说，这是一个本不应该如此草率的事情。这种不规则的情况造成用户需要做更多的工作——这是对粗糙的设计和代码的又一讽刺。
类初始化和加载
在许多传统语言中，程序在启动时一次性全部加载。接着初始化，然后程序开始运行。必须仔细控制这些语言的初始化过程，以确保 statics 初始化的顺序不会造成麻烦。在 C++ 中，如果一个 static 期望使用另一个 static，而另一个 static 还没有初始化，就会出现问题。
Java 中不存在这样的问题，因为它采用了一种不同的方式加载。因为 Java 中万物皆对象，所以加载活动就容易得多。记住每个类的编译代码都存在于它自己独立的文件中。该文件只有在使用程序代码时才会被加载。一般可以说“类的代码在首次使用时加载“。这通常是指创建类的第一个对象，或者是访问了类的 static 属性或方法。构造器也是一个 static 方法尽管它的 static 关键字是隐式的。因此，准确地说，一个类当它任意一个 static 成员被访问时，就会被加载。
首次使用时就是 static 初始化发生时。所有的 static 对象和 static 代码块在加载时按照文本的顺序（在类中定义的顺序）依次初始化。static 变量只被初始化一次。
继承和初始化
了解包括继承在内的整个初始化过程是有帮助的，这样可以对所发生的一切有全局性的把握。考虑下面的例子：
// reuse/Beetle.java
// The full process of initialization
class Insect {
private int i = 9;
protected int j;
Insect() {
System.out.println("i = " + i + ", j = " + j);
j = 39;
}
private static int x1 = printInit("static Insect.x1 initialized");
static int printInit(String s) {
System.out.println(s);
return 47;
}
}
public class Beetle extends Insect {
private int k = printInit("Beetle.k.initialized");
public Beetle() {
System.out.println("k = " + k);
System.out.println("j = " + j);
}
private static int x2 = printInit("static Beetle.x2 initialized");
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Beetle constructor");
Beetle b = new Beetle();
}
}
输出：
static Insect.x1 initialized
static Beetle.x2 initialized
Beetle constructor
i = 9, j = 0
Beetle.k initialized
k = 47
j = 39
当执行 java Beetle，首先会试图访问 Beetle 类的 main() 方法（一个静态方法），加载器启动并找出 Beetle 类的编译代码（在名为 Beetle.class 的文件中）。在加载过程中，编译器注意到有一个基类，于是继续加载基类。不论是否创建了基类的对象，基类都会被加载。（可以尝试把创建基类对象的代码注释掉证明这点。）
如果基类还存在自身的基类，那么第二个基类也将被加载，以此类推。接下来，根基类（例子中根基类是 Insect）的 static 的初始化开始执行，接着是派生类，以此类推。这点很重要，因为派生类中 static 的初始化可能依赖基类成员是否被正确地初始化。
至此，必要的类都加载完毕，对象可以被创建了。首先，对象中的所有基本类型变量都被置为默认值，对象引用被设为 null —— 这是通过将对象内存设为二进制零值一举生成的。接着会调用基类的构造器。本例中是自动调用的，但是你也可以使用 super 调用指定的基类构造器（在 Beetle 构造器中的第一步操作）。基类构造器和派生类构造器一样以相同的顺序经历相同的过程。当基类构造器完成后，实例变量按文本顺序初始化。最终，构造器的剩余部分被执行。