深入理解Java中为什么内部类可以访问外部类的成员

Posted 2020-09-04 Boblim

内部类简介

 

虽然Java是一门相对比较简单的编程语言，但是对于初学者， 还是有很多东西感觉云里雾里， 理解的不是很清晰。内部类就是一个经常让初学者感到迷惑的特性。 即使现在我自认为Java学的不错了， 但是依然不是很清楚。其中一个疑惑就是为什么内部类对象可以访问外部类对象中的成员（包括成员变量和成员方法）？ 早就想对内部类这个特性一探究竟了，今天终于抽出时间把它研究了一下。

 

内部类就是定义在一个类内部的类。定义在类内部的类有两种情况：一种是被static关键字修饰的， 叫做静态内部类， 另一种是不被static关键字修饰的， 就是普通内部类。 在下文中所提到的内部类都是指这种不被static关键字修饰的普通内部类。 静态内部类虽然也定义在外部类的里面， 但是它只是在形式上（写法上）和外部类有关系， 其实在逻辑上和外部类并没有直接的关系。而一般的内部类，不仅在形式上和外部类有关系（写在外部类的里面）， 在逻辑上也和外部类有联系。 这种逻辑上的关系可以总结为以下两点：

 

1 内部类对象的创建依赖于外部类对象；

2 内部类对象持有指向外部类对象的引用。

 

上边的第二条可以解释为什么在内部类中可以访问外部类的成员。就是因为内部类对象持有外部类对象的引用。但是我们不禁要问， 为什么会持有这个引用？ 接着向下看， 答案在后面。

 

 

通过反编译字节码获得答案

在源代码层面， 我们无法看到原因，因为Java为了语法的简介， 省略了很多该写的东西， 也就是说很多东西本来应该在源代码中写出， 但是为了简介起见， 不必在源码中写出，编译器在编译时会加上一些代码。 现在我们就看看Java的编译器为我们加上了什么？ 
首先建一个工程TestInnerClass用于测试。 在该工程中为了简单起见， 没有创建包， 所以源代码直接在默认包中。在该工程中， 只有下面一个简单的文件。 

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public class Outer {     int outerField = 0;           class Inner{         void InnerMethod(){             int i = outerField;         }     } }

该文件很简单， 就不用过多介绍了。 在外部类Outer中定义了内部类Inner， 并且在Inner的方法中访问了Outer的成员变量outerField。 
虽然这两个类写在同一个文件中， 但是编译完成后， 还是生成各自的class文件： 
 

这里我们的目的是探究内部类的行为， 所以只反编译内部类的class文件Outer$Inner.class 。 在命令行中， 切换到工程的bin目录， 输入以下命令反编译这个类文件： 

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1	javap -classpath . -v Outer$Inner

-classpath . 说明在当前目录下寻找要反编译的class文件 -v 加上这个参数输出的信息比较全面。包括常量池和方法内的局部变量表， 行号， 访问标志等等。 
注意， 如果有包名的话， 要写class文件的全限定名， 如： 

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1	javap -classpath . -v com.baidu.Outer$Inner

反编译的输出结果很多， 为了篇幅考虑， 在这里我们省略了常量池。 下面给出除了常量池之外的输出信息。 

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{   final Outer this$0;     flags: ACC_FINAL, ACC_SYNTHETIC       Outer$Inner(Outer);     flags:     Code:       stack=2, locals=2, args_size=2          0: aload_0          1: aload_1          2: putfield      #10                 // Field this$0:LOuter;          5: aload_0          6: invokespecial #12                 // Method java/lang/Object."<init>":()V          9: return       LineNumberTable:         line 5: 0       LocalVariableTable:         Start  Length  Slot  Name   Signature                0      10     0  this   LOuter$Inner;     void InnerMethod();     flags:     Code:       stack=1, locals=2, args_size=1          0: aload_0          1: getfield      #10                 // Field this$0:LOuter;          4: getfield      #20                 // Field Outer.outerField:I          7: istore_1          8: return       LineNumberTable:         line 7: 0         line 8: 8       LocalVariableTable:         Start  Length  Slot  Name   Signature                0       9     0  this   LOuter$Inner;                8       1     1     i   I }</init>

首先我们会看到， 第一行的信息如下：

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1	final Outer this$0;

这句话的意思是， 在内部类Outer$Inner中， 存在一个名字为this$0 ， 类型为Outer的成员变量， 并且这个变量是final的。 其实这个就是所谓的“在内部类对象中存在的指向外部类对象的引用”。但是我们在定义这个内部类的时候， 并没有声明它， 所以这个成员变量是编译器加上的。 
虽然编译器在创建内部类时为它加上了一个指向外部类的引用， 但是这个引用是怎样赋值的呢？毕竟必须先给他赋值，　它才能指向外部类对象。　下面我们把注意力转移到构造函数上。 下面这段输出是关于构造函数的信息。 

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Outer$Inner(Outer);   flags:   Code:     stack=2, locals=2, args_size=2        0: aload_0        1: aload_1        2: putfield      #10                 // Field this$0:LOuter;        5: aload_0        6: invokespecial #12                 // Method java/lang/Object."<init>":()V        9: return     LineNumberTable:       line 5: 0     LocalVariableTable:       Start  Length  Slot  Name   Signature              0      10     0  this   LOuter$Inner;</init>

我们知道， 如果在一个类中， 不声明构造方法的话， 编译器会默认添加一个无参数的构造方法。 但是这句话在这里就行不通了， 因为我们明明看到， 这个构造函数有一个构造方法， 并且类型为Outer。 所以说， 编译器会为内部类的构造方法添加一个参数， 参数的类型就是外部类的类型。 
下面我们看看在构造参数中如何使用这个默认添加的参数。 我们来分析一下构造方法的字节码。 下面是每行字节码的意义： 
aload_0 ： 将局部变量表中的第一个引用变量加载到操作数栈。 这里有几点需要说明。 局部变量表中的变量在方法执行前就已经初始化完成；局部变量表中的变量包括方法的参数；成员方法的局部变量表中的第一个变量永远是this；操作数栈就是执行当前代码的栈。所以这句话的意思是： 将this引用从局部变量表加载到操作数栈。

aload_1：
将局部变量表中的第二个引用变量加载到操作数栈。 这里加载的变量就是构造方法中的Outer类型的参数。 
putfield #10 // Field this$0:LOuter;
使用操作数栈顶端的引用变量为指定的成员变量赋值。 这里的意思是将外面传入的Outer类型的参数赋给成员变量this$0 。 这一句putfield字节码就揭示了， 指向外部类对象的这个引用变量是如何赋值的。 
下面几句字节码和本文讨论的话题无关， 只做简单的介绍。 下面几句字节码的含义是： 使用this引用调用父类（Object）的构造方法然后返回。 
用我们比较熟悉的形式翻译过来， 这个内部类和它的构造函数有点像这样： （注意， 这里不符合Java的语法， 只是为了说明问题） 

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class Outer$Inner{     final Outer this$0;           public Outer$Inner(Outer outer){         this.this$0 = outer;         super();     } }

说到这里， 可以推想到， 在调用内部类的构造器初始化内部类对象的时候， 编译器默认也传入外部类的引用。 调用形式有点像这样： （注意， 这里不符合java的语法， 只是为了说明问题） 
vcq9ysfP4M2stcShoyDU2sTasr/A4LXESW5uZXJNZXRob2S3vbeo1tCjrCC3w87KwcvN4rK/wOC1xLPJ1LGx5MG/b3V0ZXJGaWVsZKOsIM/Cw+a1xNfWvdrC673Syr7By7fDzsrKx8jnus69+NDQtcSjugo8YnI+Cgo8cHJlIGNsYXNzPQ=="brush:java;"> void InnerMethod(); flags: Code: stack=1, locals=2, args_size=1 0: aload_0 1: getfield #10 // Field this$0:LOuter; 4: getfield #20 // Field Outer.outerField:I 7: istore_1 8: return
getfield #10 // Field this$0:LOuter;
将成员变量this$0加载到操作数栈上来 
getfield #20 // Field Outer.outerField:I
使用上面加载的this$0引用， 将外部类的成员变量outerField加载到操作数栈 
istore_1
将操作数栈顶端的int类型的值保存到局部变量表中的第二个变量上（注意， 第一个局部变量被this占用， 第二个局部变量是i）。操作数栈顶端的int型变量就是上一步加载的outerField变量。 所以， 这句字节码的含义就是： 使用outerField为i赋值。 
上面三步就是内部类中是如何通过指向外部类对象的引用， 来访问外部类成员的。 

总结

文章写到这里， 相信读者对整个原理就会有一个清晰的认识了。 下面做一下总结： 
本文通过反编译内部类的字节码， 说明了内部类是如何访问外部类对象的成员的，除此之外， 我们也对编译器的行为有了一些了解， 编译器在编译时会自动加上一些逻辑， 这正是我们感觉困惑的原因。
关于内部类如何访问外部类的成员， 分析之后其实也很简单， 主要是通过以下几步做到的： 
1 编译器自动为内部类添加一个成员变量， 这个成员变量的类型和外部类的类型相同， 这个成员变量就是指向外部类对象的引用； 
2 编译器自动为内部类的构造方法添加一个参数， 参数的类型是外部类的类型， 在构造方法内部使用这个参数为1中添加的成员变量赋值； 
3 在调用内部类的构造函数初始化内部类对象时， 会默认传入外部类的引用。