在JAVA中,有java程序、虚拟机、操作系统三个层次,其中java程序与虚拟机交互,而虚拟机与操作系统交互。编译好的java字节码文件运行在JVM中。
程序中无论代码还是数据,都需要存储在内存中,而java程序所需内存均由JVM进行管理分配,开发者只需关心JVM是如何管理内存的,而无需关注某种操作系统是如何管理内存的,这就保证了java程序的平台无关性。
JVM会将申请的内存从逻辑上划分为三个区域:堆、栈、方法区。这三个区域分别用于存储不同的数据。
JVM在其内存空间开辟了一个称为“堆”的存储空间,这部分空间用于存储使用new关键字所创建的对象。请看如下代码:
Cell c = new Cell ();
其内存分布如图– 1所示:
图- 1
从图示1中可以看到右侧的堆内存,new Cell()所创建的对象在堆中分配,同时成员变量亦在此分配,并赋初始值为零。引用类型变量c在栈内存中分配,其中保存的数据,为对象在堆内存中的地址信息,假设对象在堆内存的地址为40DF,则c中保存的即是40DF。
当声明好对象之后,对该对象(堆中的Cell)的访问需要依靠引用变量(栈中的c),那么当一个对象没有任何引用时,该对象被视为废弃的对象,属于被回收的范围,同时该对象中的所有成员变量也随之被回收。
可以这样认为,成员变量的生命周期为:从对象在堆中创建开始到对象从堆中被回收结束。
请看如下的代码,演示了对象不再被引用:
Cell c = new Cell(); c = null ;
当将c赋值为null时,表示c不再指向刚刚分配的对象空间,此时成员变量失效。
垃圾回收器(Garbage Collection,GC)是JVM自带的一个线程(自动运行着的程序),用于回收没有任何引用所指向的对象。
GC线程会从栈中的引用变量开始跟踪,从而判定哪些内存是正在使用的,若GC无法跟踪到某一块堆内存,那么GC就认为这块内存不再使用了,即为可回收的。但是,java程序员不用担心内存管理,因为垃圾收集器会自动进行管理。
内存泄露是指,不再被使用的内存没有被及时的回收,严重的内存泄露会因过多的内存占用而导致程序的崩溃。在程序中应该尽量避免不必要的内存浪费。
GC线程判断对象是否可以被回收的依据是该对象是否有引用来指向,因此,当确定该对象不再使用时,应该及时的将其引用设置为null,这样,该对象即不再被引用,属于可回收的范围。
GC的回收对程序员来说是透明的,并不一定一发现有无引用的对象就立即回收。一般情况下,当我们需要GC线程即刻回收无用对象时,可以调用System.gc()方法。此方法用于建议JVM马上调度GC线程回收资源,但具体的实现策略取决于不同的JVM系统。
JVM在其内存空间开辟一个称为”栈”的存储空间,这部分空间用于存储程序运行时在方法中声明的所有的局部变量,例如,在main方法中有如下代码:
Cell c = new Cell ( ); int num = 5;
其内存分配如图– 2 所示:
图- 2
说明:方法中的变量即为局部变量,是在栈内存中分配,若变量为值类型,则在栈中存储的就是该变量的值。若变量为引用类型,则在栈中存储的是堆中对象的地址。
一个运行的Java程序从开始到结束会有多次方法的调用。JVM会为每一个方法的调用在栈中分配一个对应的空间,这个空间称为该方法的栈帧。一个栈帧对应一个正在调用中的方法,栈帧中存储了该方法的参数、局部变量等数据。当某一个方法调用完成后,其对应的栈帧将被清除,局部变量即失效。
成员变量与局部变量的差别如下:
局部变量:
1) 定义在方法中;
2) 没有默认值,必须自行设定初始值;
3) 方法被调用时,存在栈中,方法调用结束时局部变量从栈中清除;
成员变量:
1) 定义在类中,方法外;
2) 由系统设定默认初始值,可以不显式初始化;
3) 所在类被实例化后,存在堆中,对象被回收时,成员变量失效;
方法区用于存放类的信息,Java程序运行时,首先会通过类装载器载入类文件的字节码信息,经过解析后将其装入方法区。类的各种信息(包括方法)都在方法区存储,看如下代码:
Cell c = new Cell();
程序在执行这句话时,Cell类首先被装载到JVM的方法区,其中包括类的基本信息和方法定义等,如下图– 3 所示:
图- 3
通过图示可以看出,在方法区中,包含Cell类的字节码文件,及类的基本信息及方法drop等。
当类的信息被加载到方法区时,除了类的类型信息以外,同时类内的方法定义也被加载到方法区;
类在实例化对象时,多个对象会拥有各自在堆中的空间,但所有实例对象是共用在方法区中的一份方法定义的。意味着,方法只有一份。看如下代码:
JFrame f1 = new JFrame(); JFrame f2 = new JFrame(); f1.setSize(200, 300); f2.setSize(300,400);
如上的代码中,对象有两个,但是setSize方法只有一份,分别针对f1指向的对象和f2指向的对象调用了两次。
前面的案例中定义了T类和J类, 通过分析可以发现, 在这两个类中存在着大量的重复代码,像cells属性、print方法、drop方法、moveLeft方法、moveRight方法,在这两个类中都存在,并且实现上基本也是相同的,本着代码重用的原则,可以使用继承的方式来实现。
首先,构建T类和J类的父类Tetromino类,将公共的(T类和J类公有的)信息存放在父类中, T类和J类继承Tetromino父类。此时,子类即可以共享父类的数据。这个过程就是泛化的过程。
使用继承可以实现代码的重用,在java语言中,需要通过extends关键字实现类的继承。继承完成后,子类(Sub class)可以继承父类(Super class)的成员变量及成员方法,同时子类也可以定义自己的成员变量和成员方法。届时,子类将具有父类的成员及本类的成员。
需要注意的是,Java语言不支持多重继承,即:一个类只能继承一个父类,但一个父类可以有多个子类。看下面的代码:
public class Tetromino { Cell[] cells; public Tetromino() { cells = new Cell[4]; } public void drop() { //同写过的T类 } public void moveLeft() {//同写过的T类} public void moveRight() {//同写过的T类} public void print() {//同写过的T类} } public class TetrominoT extends Tetromino { public TetrominoT(int row, int col) { cells[0] = new Cell(row, col); cells[1] = new Cell(row, col + 1); cells[2] = new Cell(row, col + 2); cells[3] = new Cell(row + 1, col + 1); } }
如上代码说明:声明父类Tetromino,将公共信息放在其中,包括Cell[]声明、drop()方法、moveLeft()方法、moveRight()方法,print()方法。声明无参构造函数,对成员变量Cell数组进行实例化。声明子类TetrominoT继承Tetromino,并声明有参构造函数,传递行row,列col参数,进行T型数组元素的初始化。
下面在main方法中,声明一个T型对象,即可以实现T型对象的构建:
TetrominoT t = new TetrominoT( 1 , 1);
上面的代码,在创建子类对象时,调用了子类的有参构造函数进行数据的初始化,试想下,父类Tetromino的无参构造函数执行了吗?通过分析可以肯定的是,父类的无参构造函数被执行了。在程序中并没有声明父类的构造函数,那它是如何执行的呢?
父类的无参构造方法之所以被执行,是因为java规定,子类在构造之前必须先构造父类。
事实上,子类的构造方法中是必须要通过super关键字来调用父类的构造方法的,这样才可以保证妥善的初始化继承自父类的成员变量。
但是看上一个案例中的代码并没有super调用父类构造方法,那是因为,如果子类的构造方法中没有调用父类的构造方法,则java编译器会自动的加入对父类无参构造方法的调用。请看如下代码,演示了super关键字的用法:
public TetrominoT(int row, int col) { super ( ) ; cells[0] = new Cell(row, col); cells[1] = new Cell(row, col + 1); …… }
上面的代码中,super();为编译器自动加入的,并且super关键字必须位于子类构造方法的第一行,否则会有编译错误。
另外一点需要注意的是,若父类没有提供无参的构造方法,则会出现编译错误。请看如下的示例:
class Foo { //父类 int value; Foo(int value) { this.value = value; } } class Goo extends Foo { //子类 int num; Goo(int num) { this.num = num; } }
分析上面的代码,在子类构造方法中没有写super调用父类构造方法,这时编译器会默认添加super()来调用父类的无参构造方法,但是父类中又没有定义无参的构造方法,因此会发生编译错误。
针对上面的问题,可以有两种解决方案,方案一为在父类中添加无参的构造方法,方案二为在子类构造方法中显示调用父类的有参构造方法(常常使用),这样可以保证父类的成员变量均被初始化,参见下面的代码:
class Goo extends Foo { int num; Goo(int value, int num) { super(value); this.num = num } }
如上的代码,在子类中调用了父类的构造方法,初始化了继承自父类的value成员变量,编译正确。
一个子类的对象可以向上造型为父类的类型。即,定义父类型的引用可以指向子类的对象。看如下代码所示:
class Foo { int value; public void f() {…} Foo(int value) { this.value = value; } } class Goo extends Foo { int num; public void g() {…} Goo(int value, int num) { super(value); this.num = num } } class Test{ public static void main(String[] args){ Foo obj = new Goo(100,3); } }
上面的代码,在main方法中,声明了父类型的引用来指向子类型的对象。但是通过父类的引用只能访问父类所定义的成员,而不能访问子类所扩展的部分。看下面的代码:
class Foo { int value; public void f() {…} … … … } class Goo extends Foo { int num; public void g() {…} … … … } class Test{ public static void main(String[] args){ Foo obj = new Goo(100,3); obj.value=200; obj.f(); obj.num = 5; obj.g(); } }
分析上面的代码,在main方法中,声明父类型的引用指向了子类的对象,而后,访问父类的成员变量value及调用父类的方法f,均可以正常编译。但是,当通过obj引用访问num变量及g的方法时,会出现编译错误。那是因为,当用父类型引用指向了子类对象后,java编译器会根据引用的类型(Foo),而不是对象的类型(Goo)来检查调用的方法是否匹配。