學習心得：Java基本功之Reference詳解

2019-11-18 13:07:43

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　　有這樣一種說法，如今爭鋒于IT戰場的兩大勢力，MS一族偏重于底層實現，java一族偏重于系統架構。說法根據無從考證，但從兩大勢力各自的社區力量和圖書市場已有佳作不難看出，此說法不虛。于是，事情的另一面讓人忽略了。偏巧，我是一個喜歡探究底層實現的Java程序員，雖然我的喜好并非純正咖啡，劍走偏鋒卻別是一番風味。
　　
　　Reference Java世界泰山北斗級大作《Thinking In Java》切入Java就提出“Everything is Object”。在Java這個布滿Object的世界中，reference是一切謎題的根源，所有的故事都是從這里開始的。
　　
　　Reference是什么？
　　
　　假如你和我一樣在進入Java世界之前曾經浪跡于C/C++世界，就一定不會對指針生疏。談到指針，往日種種不堪回首的經歷一下子涌上心頭，這里不是抱怨的地方，讓我們暫時忘記指針的痛苦，回憶一下最初接觸指針的甜蜜吧！
　　
　　還記得你看過的教科書中，如何講解指針嗎？留在我印象中的一種說法是，指針就是地址，如同門牌號碼一樣，有了地址，你可以輕而易舉找到一個人家，而不必費盡心力的大海撈針。C++登上歷史舞臺，reference也隨之而來，容我問個小問題，指針和reference區別何在？我的答案來自于在C++世界享譽盛名的《More Effective C++》。
　　
　　沒有null reference，reference必須有初值。
　　
　　使用reference要比使用指針效率高。因為reference不需要測試其有效性。指針可以重新賦值，而reference總是指向它最初獲得的對象。
　　
　　設計選擇：
　　
　　當你指向你需要指向的某個東西，而且絕不會改指向其它東西，或是當你實作一個運算符而其語法需要無法有指針達成，你就應該選擇reference。其它任何時候，請采用指針。
　　
　　這和Java有什么關系？
　　
　　初學Java，鑒于reference的名稱，我毫不猶豫的將它和C++中的reference等同起來。不過，我錯了。在Java中，reference 可以隨心所欲的賦值置空，對比一下上面列出的差異，就不難發現，Java的reference假如要與C/C++對應，它不過是一個穿著 reference外衣的指針而已。于是，所有關于C中關于指針的理解方式，可以照搬到Java中，簡而言之，reference就是一個地址。我們可以把它想象成一個把手，抓住它，就抓住了我們想要操縱的數據。如同把握C的要害在于把握指針，探索Java的鑰匙就是reference。
　　
　　一段小程序
　　
　　我知道，太多的文字總是令人犯困，那就來段代碼吧！
　　
　　public class ReferenceTricks
　　{
　　public static void main(String[] args)
　　{
　　ReferenceTricks r = new ReferenceTricks();
　　// reset integer
　　r.i = 0;
　　System.out.PRintln
　　("Before changeInteger:" + r.i);
　　changeInteger(r);
　　System.out.println
　　("After changeInteger:" + r.i);
　　
　　// just for format
　　System.out.println();
　　
　　// reset integer
　　r.i = 0;
　　System.out.println
　　("Before changeReference:" + r.i);
　　changeReference(r);
　　System.out.println
　　("After changeReference:" + r.i);
　　}
　　
　　private static void
　　changeReference(ReferenceTricks r)
　　{
　　r = new ReferenceTricks();
　　r.i = 5;
　　System.out.println
　　("In changeReference: " + r.i);
　　}
　　
　　private static void
　　changeInteger(ReferenceTricks r)
　　{
　　r.i = 5;
　　System.out.println
　　("In changeInteger:" + r.i);
　　}
　　
　　public int i;
　　}
　　
　　我知道，把一個字段設成public是一種不好的編碼習慣，這里只是為了說明問題。假如你有愛好自己運行一下這個程序。你已經運行過了嗎？結果如何？是否如你預期？下面是我在自己的機器上運行的結果：
　　
　　Before changeInteger:0
　　In changeInteger:5
　　After changeInteger:5
　　
　　Before changeReference:0
　　In changeReference: 5
　　After changeReference:0
　　
　　這里，我們關注的是兩個change，changeReference和changeInteger。從輸出的內容中，我們可以看出，兩個方法在調用前和調用中完全一樣，差異出現在調用后的結果。
　　
　　糊涂的講解
　　
　　先讓我們來分析一下changeInteger的行為。
　　
　　前面說過了，Java中的reference就是一個地址，它指向了一個內存空間，這個空間存放著一個對象的相關信息。這里我們暫時不去關心這個內存具體如何排布，只要知道，通過地址，我們可以找到r這個對象的i字段，然后我們給它賦成5。
　　
　　既然這個字段的內容得到了修改，從函數中返回之后，它自然就是改動后的結果了，所以調用之后，r對象的i字段依然是5。下圖展示了changeInteger調用前后內存變化。
　　
　　讓我們把目光轉向changeReference。從代碼上，我們可以看出，同changeInteger之間的差別僅僅在于多了這么一句：
　　
　　r = new ReferenceTricks();
　　
　　這條語句的作用是分配一塊新的內存，然后將r指向它。執行完這條語句，r就不再是原來的r，但它依然是一個ReferenceTricks的對象，所以我們依然可以對這個r的i字段賦值。到此為止，一切都是那么自然。
　　
　　順著這個思路繼續下去的話，執行完changeReference，輸出的r的i字段，那么應該是應該是新內存中的i，所以應該是5。至于那塊被我們拋棄的內存，Java的GC功能自然會替我們善后的。
　　
　　事與愿違。
　　
　　實際的結果我們已經看到了，輸出的是0。肯定哪個地方錯了，究竟是哪個地方呢？
　　
　　參數傳遞的秘密
　　
　　知道方法參數如何傳遞嗎？
　　
　　記得剛開始學編程那會兒，老師教導，所謂參數，有形式參數和實際參數之分，參數列表中寫的那些東西都叫形式參數，在實際調用的時候，它們會被實際參數所替代。
　　
　　編譯程序不可能知道每次調用的實際參數都是什么，于是寫編譯器的高手就出個辦法，讓實際參數按照一定順序放到一個大家都可以找得到的地方，以此作為方法調用的一種約定。所謂“沒有規矩，不成方圓”，有了這個規矩，大家協作起來就輕易多了。這個公共數據區，現在編譯器的選擇通常是“棧”，而所謂的順序就是形式參數聲明的順序。
　　
　　顯然，程序運行的過程中，作為實際參數的變量可能遍布于內存的各個位置，而并不一定要老老實實的呆在棧里。為了守“規矩”，程序只好將變量復制一份到棧中，也就是通常所說的將參數壓入棧中。
　　
　　我剛才說什么來著？將變量復制一份到棧中，沒錯，“復制”！
　　
　　這就是所謂的值傳遞。
　　
　　C語言的曠世經典《The C Programming Language》開篇的第一章中，談到實際參數時說，“在C中，所有函數的實際參數都是傳‘值’的”。
　　
　　馬上會有人站出來，“錯了，還有傳地址，比如以指針傳遞就是傳地址”。不錯，傳指針就是傳地址。在把指針視為地址的時候，是否考慮過這樣一個問題，它也是一個變量。前面的討論中說過了，參數傳遞必須要把參數壓入棧中，作為地址的指針也不例外。所以，必須把這個指針也復制一份。函數中對于指針操作實際上是對于這個指針副本的操作。
　　
　　Java的reference等于C的指針。所以，在Java的方法調用中，reference也要復制一份壓入堆棧。在方法中對reference的操作就是對這個reference副本的操作。
　　
　　謎底揭曉
　　
　　好，讓我們回到最初的問題上。在changeReference中對于reference的賦值實際上是對這個reference的副本進行賦值，而對于reference的本尊沒有產生絲毫的影響。
　　
　　回到調用點，本尊醒來，它并不知道自己睡去的這段時間內發生過什么，所以只好當作什么都沒發生過一般。就這樣，副本消失了，在方法中對它的修改也就煙消云散了。
　　
　　也許你會問出這樣的問題，“聽了你的解釋，我反而對changeInteger感到迷惑了，既然是對于副本的操作，為什么changeInteger可以運作正常？”這是很有趣的現象。
　　
　　好，那我就用前面的說法解釋一下changeInteger的運作。所謂復制，其結果必然是副本完全等同于本尊。reference復制的結果必然是兩個reference指向同一塊內存空間。
　　
　　雖然在方法中對于副本的操作并不會影響到本尊，但對內存空間的修改確實實實在在的，回到調用點，雖然本尊依然不知道曾經發生過的一切，但它按照原來的方式訪問內存的時候，取到的確是經過方法修改之后的內容。于是方法可以把自己的影響擴展到方法之外。
　　
　　多說幾句
　　
　　這個問題起源于我對C/C++中同樣問題的思考。同C/C++相比，在changeReference中對reference賦值可能并不會造成什么很嚴重的后果，而在C/C++中，這么做卻會造成臭名昭著的“內存泄漏”，根本的原因在于Java擁有了可愛的GC功能。即便這樣，我仍不推薦使用這種的手法，究竟GC已經很忙了，我們怎么好意思再麻煩人家。
　　
　　在C/C++中，這個問題還可以繼續引申。既然在函數中對于指針直接賦值行不通，那么如何在函數中修改指針呢？答案很簡單，指針的指針，也就是把原來的指針看作一個普通的數據，把一個指向它的指針傳到函數中就可以了。
　　
　　同樣的問題到了Java中就沒有那么美妙的解決方案了，因為Java中可沒有reference的reference這樣的語法。可能的變通就是將reference進行封裝成類。至于值不值，公道安閑人心。

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