我的OOP学习笔记值与引用语义类型

Posted 2020-08-03 庸人、自扰

值与引用

 

值语义的对象是独立的，语义的对象却是允许共享的。由于Java不支持值类型对象，Java程序员才更需要加强这方面的意识。语法和语义并不总是一致的——语法上的值类型可能在语义上是引用类型，语法上的引用类型可能在语义上是值类型。永远不要忘记一个基本原则：语法只是手段，语义才是目的。

为了判断一个类型的语义，那么简明的‘石蕊测试法’便是一个很好的选择.在不影响程序正确性的前提下，一个对象的复件能否代替原件？如果可以则该对象的类型是值语义的，否则是引用语义的。（这种判断方法与语法无关，完全取决于对象设计者的用意。)

从命令式编程的角度看，一个值语义变量的内存地址是无关紧要的，原件和复件的唯一差别在被清除后变得完全的等价，因而值语义又称复制语义（copy semantics）。相对地，引用语义变量的内存地址至关重要，通常用指针来实现，因而引用语义又称指针语义（pointer semantics）

从函数式编程的角度看，值应当是引用透明的，即一个表达式随时可被其值所替代。比如2+3总可以被5代替，“ab”.concat（“cd”）总可用“abcd”来代替。显然，值的可替代性实质上抹杀了引用的作用。（在计算机术语中，透明transparency一词很容易引起误解，它不是指因透明而看得见，而是指透明得看不见或意识不到、不受影响）

从对象式编程的角度看，值语义与引用语义的区别在于对象标识（object identity）的重要程度。对象标识是一个对象区别于其他对象的唯一的标识。它的每个对象都具备的一个特质，反映了一个对象作为实体的独立性、可识别性和本体性，是对象的三大特性之一。OOP中对象的三大特性是状态（state）、行为（behavior）和标识（identity）。倘若一个对象的标识在程序中没有实际意义，意味着它的对象特性模糊、主体意识淡薄，更多地代表的是一种抽象的属性（attribute）而非一个具体的实体（entity），则它具有值语义。反而，则具有引用语义。值通过具体的数据来描述抽象的属性，引用通过抽象的方式来指代具体的实体。

比如字符串，Java和C#中的String类虽然是引用类型，但它们的值语义是很明显的。人们关心的是字符串的内容，而非它的内存地址。Java初学者最容易犯的一个错误就是用相等运算符（equality operator）‘==’来判断字符串的异同。用==比较的是字符串的引用，用equals方法比较的才是字符串的内容。因此，C#干脆明智地重载（overload）了String的相等运算符，避免了这类错误。虽然C++同样也重载了该运算符，但是C++中包括String在内的所有自定义类型本就是基于值语法的，它们的相等运算符自然不可能用于引用比较。C++中基于指针的char*字符串类型的比较也不能用==运算符，而应该用strcmp函数。

 

值与引用还有一个区别。值是不依赖内存地址的，即具有空间无关性。其实值还有时间无关性，即一个值语义的对象在其生命周期中的状态是固定的。也就是说，值语义类型一般是不可变的（immutable）。以Java中的String为例：

String s1 = “ab”;
String s2 = s2;//这行的赋值是基于引用的，因此s1与s2指向同一个字符串对象。
assert(s1=s2);
s2 += "cd";
assert(s1 != s2);

如果String是可变的，那么当s2的内容从“ab”变成“abcd”后，s1的内容也会发生相应的变化。这就产生别名问题（aliasing problem），通常并非我们想要的结果，因此在s2完成自增运算后，系统便让它换成另一个字符串对象，而原先的字符串对象任然保持不变。这样使我们省去了显示深克隆的过程。由此可见，不变性为引用类型贯彻值语义提供了变通的语法支持。

Java和C#中的StringBuffer是可变的字符串，角色的定位不是字符串的持有者，而是字符串的创造者，故而是可变的，并不具备值语义。C++中的string类由于是值类型的，对不可变的需求没有那么强烈。但除非特别需求，程序员还是应尽可能地保持字符串对象的不可变性。除了在赋值、按值传递、作为返回值等是凭借值类型的特点来保证字符串的复制以外，还可利用关键字const来保证常量正常性（const-corectness）。

Java和C#中的基本数据类型是值类型的，但有时需要以引用类型身份出现，这就需要一个转化过程，术语为封装（boxing），逆过程称为拆箱（unboxing）。装箱后的对象虽然是引用类型的，但仍保持值语义，因此应该是不可变的。

一个值语义的引用类型也有可能是可变的，比如Java的日期类型Date类。为了实现其值语义，需要手动进行必要的防御性复制（defensive copying）。比如在getter方法返回对象的日期属性之前、在setter方法传入的日期参数赋值之前，都应拷贝一份对象。虽然这就影响到程序性能，但程序的正确性永远是第一位的。略讽刺意味的是，当初Date类被设计成可变类型是为了减少对象的创建，但结果却事与愿违，反复的防御性复制也许会创建更多的对象。避免重复的防御性复制的一个方法就是在规范文档中进行相关说明。但这很不自然，同时不能保证客户遵守规范。

 

值语义对象不是真正意义的对象，接下来就是关于值的时间无关性在语义上的意义。值是静态而单纯的，而引用是动态而复杂的。从这个角度上说，不可变性加强了值语义。比如整型是最常见的值类型之一，一个整型就是一个常量，理所应当是不可变的。同理，一个值语义的对象也应该是一个常量。举个具体的例子，颜色类型Color具备着典型的值语义，在Java和C#中都是不可变的。你看得出x=Color.Red与x=1有什么本质的区别吗？无非是取值空间不一样。当x被重新赋值为Color.Green时，原来的对象Color.Red并未发生变化，只是不再被x所引用。退一步讲，即使一个值语义对象是可变的，它与引用语义对象在概念上仍是有区别的：值语义对象的改变是一种新旧更替，即新对象更替旧对象，只是凑巧重用了后者所用的内存空间；引用语义对象的改变是一种自我更新。即一个对象在保持同一性的前提下发生的状态迁移或属性改变。

 

如果说不可变性让语法上的引用类型倾向于值语义，那么不可复制性则让语法上的值类型具备明显的引用语义。这非常自然,值语义的特点是复件具有等效性，引用语义的特点是复件不具等效性。当然，不可复制性是一种比较极端的情形，因为一边引用语义的类型也是允许复制的，只不过不能替代原件而已。由于语法的缘故（Java没有自定义的值类型，而C#中的值类型通常都是遵循值语义的。），具有不可复制性的值类型主要出现在C++上，著名的Boost C++库提供了noncopyable类。

 

 

传输对象的焦点在于“有什么”，值对象的焦点在于“是什么”，而引用对象的焦点在于"是哪个"。

合成是基于值语义的包含，聚合是基于引用语义的包含。

为了达到抽象的目的，实现级别的信息需要隐藏，靠的是访问控制；设计级别的信息需要过滤，靠的抽象建模。