深入浅出Java复用类从字节码角度看toString调用机制对象代理组合与继承转型final初始化

Posted 2021-12-14 Roninaxious

这个世界上有10种人：一种是懂二进制的，一种是不懂二进制的

你觉得类是在什么时候被加载的？【访问static域时，为什么？看完9就明白了】

文章目录

• 1、深入理解Java中toString方法的调用机制
• • 1.1.关于Java代码层面的toString的调用机制
  • 1.2.从字节码角度剖析toString观察toString方法的调用
  • 1.3.为什么如果没有重写toString()方法就会打印类似的地址呢？
• 2、深入字节码探究基类与导出类的构造初始化
• • 2.1.如何理解继承中基类与导出类之间的关系
  • 2.2.如何理解基类与导出类的构造器初始化
  • 2.3.从字节码角度解读基类与导出类的构造初始化
• 3、为什么有时要对对象进行代理(Delegation)?
• • 3.1、解析第一种原因
  • 3.2、解析第二种原因
• 4、为什么我们要手动清理一些对象？
• 5、如何理解组合与继承
• 6、浅析向上转型
• 7、再临final关键字
• • 7.1.使用final修饰数据什么含义、什么作用？
  • 7.2.使用final修饰数据初始化的时机
  • 7.3.final参数
  • 7.4.使用final修饰方法的含义、扩展内容
  • 7.5.使用final修饰类的隐含意义
• 8、在继承中静态、非静态、构造函数的初始化顺序
• 9、你觉得类是在什么时候被加载的？

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1、深入理解Java中toString方法的调用机制

每一个非基本类型的对象都有一个toString()方法，当编译器需要一个String对象而你却只有一个对象时，便会调用toString()方法。

观看以下代码分析toString()方法的调用机制

class Emp 
    private String s = "hello";

    @Override
    public String toString() 
        System.out.println("调用了toString方法");
        return s;
    

    public static void main(String[] args) 
        Emp p = new Emp();
        System.out.println("Emp="+p);
    

结果如下所示：

分析结果如下：

"Emp="+p

1.1.关于Java代码层面的toString的调用机制

对于这行代码，编译器会将得知你想要将一个String对象(“Emp”）同p对象相加。由于只能将一个String对象和另外一个String对象相加，因此编译器将会告诉你:"我将要调用toString()方法，将p对象转换为一个String！"之后便可以将两个String对象连接到一起并将其传入到System.out.println().

1.2.从字节码角度剖析toString观察toString方法的调用

相信看到这你还是会有疑问，我怎么知道底层自动调用了toString()方法了呢？让我从字节码角度进行剖析 ，对上述代码进行反解析

0 new #4 <com/zsh/javase/base/Emp>
3 dup
4 invokespecial #5 <com/zsh/javase/base/Emp. : ()V>
7 astore_1
8 getstatic #6 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
11 aload_1
12 invokedynamic #7 <makeConcatWithConstants, BootstrapMethods #0>
17 invokevirtual #8 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>
20 return

下面这一行表明调用了toString()方法（toString底层就是new了一个String对象)

一般来说系统了解过JVM才会看得懂这些字节码指令，如果你刚接触Java，你只需要记住.java编译成.class文件时，底层自动调用了toString()方法即可。

new //代表创建一个Emp对象，并将引用压入栈顶
dup //复制栈顶的引用，并将其压入栈顶（此时你可能会有疑问，new指令之后栈顶已经有了一个地址，为什么还需要复制一份；其实一份是虚拟机要自动调用< init>方法做初始化使用的，另一份是给程序员使用的(对对象中的变量做赋值等操作，弹栈就没了）

1.3.为什么如果没有重写toString()方法就会打印类似的地址呢？

当然会调用它的父类Object中的toString方法，看下面父类Object中toString方法的源码会发现，它的返回刚好是类的全限定名+@+对象的哈希码

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2、深入字节码探究基类与导出类的构造初始化

$基类：父类$
$导出类：子类$

2.1.如何理解继承中基类与导出类之间的关系

我们都知道在Java中“一切皆对象”，从现实生活中举例：比如“车”和“跑车🚓”，它们之间有什么特征联系呢？

1."车“是一个宽泛的概念，“跑车”则是一个相对狭小的概念
2."车"拥有的特征而“跑车”一般都会拥有

所以当你创建了一个导出类对象时，该对象隐含了一个基类的子对象，这个子对象与你使用基类创建的对象的一致的。（只不过后者来自外部，而前者包装在导出类对象的内部)

2.2.如何理解基类与导出类的构造器初始化

观看以下代码分析结果

public class ExtendTest 
    public static void main(String[] args) 
        Son son = new Son();
    

class Parent 
    public Parent() 
        System.out.println("Parent..");
    

class Son extends Parent 
    public Son() 
        System.out.println("Son");
    

结果：

从这我们可以发现，这个构建过程是从基类开始向下扩散的，所以基类在导出类访问它之前就已经完成了初始化，即使你不为它创建构造器，编译器会自动地为你生成一个默认地构造器。

如果你要想要调用基类中有参的构造器就需要使用“super”关键字，如下面这样：

public class ExtendTest 
    public static void main(String[] args) 
        Son son = new Son(11);
    

class Parent 
    public Parent(int i) 
        System.out.println("Parent有参构造..");
    

class Son extends Parent 
    public Son(int i) 
        super(11);
        System.out.println("Son有参构造..");
    

2.3.从字节码角度解读基类与导出类的构造初始化

class Parent 
    public Parent() 
    

对上述代码进行反编译之后得到字节码指令如下

0 aload_0
1 invokespecial #1 <java/lang/Object.< init> : ()V>
4 return

可以看出加载时它调用了基类Object的< init>空参方法。

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3、为什么有时要对对象进行代理(Delegation)?

其实主要原因有以下：

1.保证单一职责
2.拥有更多的控制力

3.1、解析第一种原因

需要使每个类的功能尽可能的单一（单一职责),这样对某个类进行修改时才能保证几乎不影响其他类；比如有一个User类对象，我想要对该对象进行权限判断，如果直接在User类中进行添加方法判断是不是显得很混乱（一旦这样的类关联很多，对一个类进行修改就会出现牵一发而动全身）

public class DelegationExample 
    /**
     * 测试Java中的代理(Delegation)
     * 模拟如下场景:
     * <p>一个账户类，现要对该账户做权限判断，增加一个代理类</p>
     * 为什么要使用代理? 原因如下
     * 需要使每个类的功能尽可能的单一（单一职责),这样对某个类进行修改时才能保证几乎不影响其他类
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) 
        User user = new User("zsh");
        UserDelegation delegation = new UserDelegation();
        delegation.setUser(user);
        delegation.judge();
    

class User 
    private String name;

    User(String name) 
        this.name = name;
    

    public String getName() 
        return name;
    

    public void setName(String name) 
        this.name = name;
    

class UserDelegation 
    private User user;

    public void setUser(User user) 
        this.user = user;
    

    public void judge() 
        if (user.getName().equals("zsh")) 
            System.out.println("拥有该权限!");
         else 
            System.out.println("无相应权限!");
        
    

3.2、解析第二种原因

基类中的方法全部暴露给了子类，看以下方法

class SpaceControl 
    void up(int vel);
    void down(int vel);
    void left(int vel);
    void right(int vel);
    void forward(int vel);
    void back(int vel);

class SpaceShip extends SpaceControl
    private String spaceName;

    public SpaceShip(String spaceName) 
        this.spaceName = spaceName;
    

    public static void main(String[] args) 
        SpaceShip spaceShip = new SpaceShip("飞船一号");
        spaceShip.up(100);
        spaceShip.down(100);
        spaceShip.left(100);
        //...
    

所以我们可以使用代理类只暴露部分方法给外部，然后也可也扩展一些操作。

class SpaceDelegation 
    private String name;
    private SpaceControl control = new SpaceControl();

    public SpaceDelegation(String name) 
        this.name = name;
    

    public void up(int vel) 
        control.up(vel);
    
    public void down(int vel) 
    	if (vel < 0) 
    		System.out.println("输入错误");
    		return;
    	
        control.down(vel);
    

    public static void main(String[] args) 
        SpaceDelegation delegation = new SpaceDelegation("飞船一号");
        delegation.up(100);
    

当然也可也添加判断，例如上述代码在down方法中对vel值做了校验处理

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4、为什么我们要手动清理一些对象？

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5、如何理解组合与继承

组合与继承都是实现了在新的类中嵌套一个对象，只不过组合是显示地这么做，而继承是隐式地这么做；你或许想知道我如何在二者之间做选择

组合技术通常在新类中使用现有类的功能，这样一来新的类就是一个新的接口；而继承则是延申出来的一个接口，本质上是对基类的扩展（具体化）
说白了组合就是组装，嵌套的对象只是它的零件，比如”车子“和”轮胎“，你能说”轮胎“继承与”车子“嘛，那肯定不可以，所以肯定是使用组合技术。

再比如”车子“和”跑车“，你能说”车子“组装了”跑车“嘛！那肯定瞎扯嘛！

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6、浅析向上转型

分析以下代码

class Instrument 
    public void play() 
    
    static void tune(Instrument i) 
        i.play();
    

class Wind extends Instrument 
    public static void main(String[] args) 
        Wind wind = new Wind();
        Instrument.tune(wind);
    

在此例中，tune()方法可以接受Instrument的引用，然而我们却传入了Wind的引用。是不是很奇怪，其实你如果能够想到导出类至少包含基类中所含有的方法（导出类中隐含了一个基类对象），那么就会很好理解，这样的动作称之为向上转型。

Tinking in Java：在向上转型的过程中，唯一可能发生的事情就是丢失一些方法，而不是获取一些方法。这也就是为什么编译器在”未明确表示转型“，仍然能够向上转型的原因（注意如果基类定义方法为private，那表示是基类私有的）

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7、再临final关键字

顾名思义，它的含义是”这是无法改变的“

7.1.使用final修饰数据什么含义、什么作用？

使用final修饰数据，相当于向编译器告知”这一块数据是恒定不变的“。

当使用final修饰基本数据类型时，它表示是一个永不改变的常量；编译器会将它代入到任何使用到它的计算式中（也就是直接替换为该常量值，因为你不能改变）

分析如下代码

class Test 
    private final int NUM = 1;
    private int a = 2;

    public static void main(String[] args) 
        Test test = new Test();
        int b = test.NUM;
        int c = test.a;
    

进行反编译查看字节码指令

找到执行int b = test.NUM的指令

iconst_1 : 将常量压入操作数栈中。
istore_2：弹出操作数栈栈顶元素，将其保存到局部变量表为2的位置。

找寻int c = test.a的指令

aload_1：将局部变量表1号位置上的引用test加载到操作数栈中
getfield #3 : 获取对象的实例域a
istore_3：弹出操作数栈栈顶元素，将其保存到局部变量表为3的位置

可以看出编译器对final修饰的数据做了优化，可以直接代入计算式执行，不用再去根据引用去寻找。

当final修饰引用类型时，表示该引用一旦被初始化指向一个对象，就无法再指向另外一个对象。需要注意的是对象的内容是可以修改的（Thinking in Java：Java并未提供任何使对象恒定不变的途径）

同样的也适用于数组，数组也是对象

7.2.使用final修饰数据初始化的时机

必须在域的定义处或者构造器中对final修饰的变量进行赋值，这也是final域在使用前总是被初始化的原因所在。

class FinalKey 
    private final int NUM = 1;
    private final String OB;
    public FinalKey() 
        OB = "ob";
    

7.3.final参数

如果将参数定义为final类型，这样意味着你无法修改基本类型的参数、无法将引用类型的参数指向另外一个对象。

7.4.使用final修饰方法的含义、扩展内容

被我们熟知的就是将方法锁定，不能被重写。

另外一个作用是效率，在早期Java中，如果使用final修饰了方法，那么编译器将针对该方法的所有调用都转为内嵌调用(将整段代码插入调用处）。这将消除调用开销，但是如果代码膨胀，那么这样不会有任何性能提高。

在如今的HoSpot虚拟机中可以探测到这些情况，因此不需要再使用final进行优化了。

总结：所以说只有明确禁止覆盖时，才将方法设置为final（另外类中的所有private方法都隐式地指定为final的，所以对private方法添加final关键字，没有任何意义；

看下面的奇怪例子：

class TypeParent 
    private void method() 

class TypeSon extends TypeParent 
    private void method() 

上述不是已经说明private隐式地指定为final，那为什么上面这个例子还能覆盖呢？其实这不是覆盖，只是在子类中新定义了一个方法，与基类中的方法没有任何联系。

7.5.使用final修饰类的隐含意义

这个使用final修饰类，表示“永远不需要做任何变动或者处于安全考虑”，比如String类”

另外final类的域或者方法都会隐式地指定为final，所以在final类中为域或方法添加final没有任何意义。

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8、在继承中静态、非静态、构造函数的初始化顺序

以下会涉及JVM的相关知识，如果不了解，记住即可！

类的加载过程中，分为三个阶段

• 🌹1.loading阶段

生成大Class对象，将静态存储结构转换为方法区运行时的数据结构

• 🌹2.linking阶段

(1)验证：校验字节码文件信息是否符合虚拟机要求(防止篡改）
(2)准备：为类变量分配内存空间并初始化为默认值[0或者null],这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候会分配了，准备阶段会显式初始化
(3)解析：符号引用抓换位直接引用

• 🌹3.initization阶段

执行类构造器< Clinit>的过程，注意这是类构造器，不是对象构造器< init>
这个Clinit方法不需要进行定义，它是javac编译器自动收集类变量的赋值动作和静态代码块合并而来的（总结一句话：执行类变量和静态代码块的赋值语句）

所以在类加载阶段的初始化顺序为：

父类的静态属性默认初始化->子类的静态属性默认初始化->父类的静态属性显示初始化->子类的静态属性显示初始化（注意static final一块修饰的变量在准备阶段会进行显示初始化操作）

最后就是对象层面的变量的初始化

父类成员变量初始化->子类成员变量初始化->父类构造器->子类构造器

累了，不想写了

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9、你觉得类是在什么时候被加载的？

构造器也是static方法，尽管没有显示出来。所以类是在任何static成员被访问时加载的。