Java プログラミングの考え方を理解する

Java プログラミングのアイデア、初心者でも専門家でも読む価値があります。この知識は筆記試験でよく出題されるだけではありません。主要な有名企業だけでなく、大規模な企業の面接プロセスにも使用されます。これは、単純な概念的理解の質問 (is-a relationship と has-a relationship の違いなど) を含む、プロジェクト開発でも一般的に使用される知識です。逆コンパイルの基礎となる RTTI および JVM に関する深い知識。

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1. Java のポリモーフィズムを理解する (C++ とは異なることに注意してください)

• Java の静的メソッドと Final メソッドに加えて (プライベート メソッドはサブクラスからアクセスできないため、本質的には Final メソッドです)、他のすべてのメソッドは動的にバインドされます。つまり、通常、動的バインドを行うかどうかを決定する必要はなく、自動的に行われます。

• final メソッドを使用すると、コンパイラーにより効率的なコードが生成されるため、final メソッドを宣言するとパフォーマンスがある程度向上します (効果は明ら​​かではありません)。

• メソッドが静的である場合、その動作は多態的ではありません:
  

  class StaticSuper {public static String staticGet() {return "Base staticGet()";}public String dynamicGet() {return "Base dynamicGet()";}}class StaticSub extends StaticSuper {public static String staticGet() {return "Derived staticGet()";}public String dynamicGet() {return "Derived dynamicGet()";}}public class StaticPolymorphism {public static void main(String[] args) {StaticSuper sup = new StaticSub();System.out.println(sup.staticGet());System.out.println(sup.dynamicGet());}}

  
  出力:

  Base staticGet()
  派生dynamicGet()

• Construct関数はそうではありません多態性のある、彼らは実際には静的メソッドですが、静的宣言は暗黙的です。したがって、コンストラクターをオーバーライドすることはできません。

• 親クラスのコンストラクター内でポリモーフィックな動作を持つ関数を呼び出すと、予測できない結果が生じます。これは、この時点ではサブクラスのオブジェクトが初期化されておらず、この時点でサブクラスのメソッドを呼び出しても、期待する結果が得られないためです。

  class Glyph {void draw() {System.out.println("Glyph.draw()");}Glyph() {System.out.println("Glyph() before draw()");draw();System.out.println("Glyph() after draw()");}}class RoundGlyph extends Glyph {private int radius = 1;RoundGlyph(int r) {radius = r;System.out.println("RoundGlyph.RoundGlyph(). radius = " + radius);}void draw() {System.out.println("RoundGlyph.draw(). radius = " + radius);}}public class PolyConstructors {public static void main(String[] args) {new RoundGlyph(5);}}

  
  出力:draw()の前の

  Glyph()
  RoundGlyph.draw()。draw()の後の
  Glyph()
  RoundGlyph.RoundGlyph()の半径=5

。

なぜこのように出力されるのですか?これには、Java のコンストラクターの呼び出しシーケンスを明確に把握する必要があります。

(1) 何かが起こる前に、オブジェクトに割り当てられた記憶領域をバイナリ 0 に初期化します。
(2) 基本クラスのコンストラクターを呼び出します。ルートから再帰します。ポリモーフィズムはこの時点でサブクラスでカバーされるdraw() メソッドを呼び出します (RoundGlyph コンストラクターを呼び出す前に呼び出されます)。この時点では、radius の値が 0 であることがわかります。
(3) 宣言順にメンバー初期化メソッドを呼び出します。
(4) 最後にサブクラスのコンストラクターを呼び出します。

• 非プライベート メソッドのみをオーバーライドできますが、プライベート メソッドをオーバーライドする現象には細心の注意を払う必要があります。この時点ではコンパイラーはエラーを報告しませんが、期待どおりには実行されません。つまり、プライベート メソッドを上書きします。これは、オーバーロードされたメソッドではなく、サブクラスの新しいメソッドです。したがって、サブクラスでは、基底クラスのプライベート メソッドと同じ名前を付けないほうがよいでしょう (問題ではありませんが、基底クラスのプライベート メソッドをオーバーライドできると誤解されやすいため)。

• Java クラスの属性フィールドへのアクセス操作はコンパイラーによって解析されるため、多態性ではありません。親クラスとサブクラスで同じ名前の属性は、次のように異なる記憶領域を割り当てます:

  // Direct field access is determined at compile time.class Super {public int field = 0;public int getField() {return field;}}class Sub extends Super {public int field = 1;public int getField() {return field;}public int getSuperField() {return super.field;}}public class FieldAccess {public static void main(String[] args) {Super sup = new Sub();System.out.println("sup.filed = " + sup.field + ", sup.getField() = " + sup.getField());Sub sub = new Sub();System.out.println("sub.filed = " + sub.field + ", sub.getField() = " + sub.getField() + ", sub.getSuperField() = " + sub.getSuperField());}}

  
  输出：

  sup.filed = 0, sup.getField() = 1
  sub.filed = 1, sub.getField() = 1, sub.getSuperField() = 0

  Sub子类实际上包含了两个称为field的域，然而在引用Sub中的field时所产生的默认域并非Super版本的field域，因此为了得到Super.field，必须显式地指明super.field。

2. is-a关系和is-like-a关系

• is-a关系属于纯继承，即只有在基类中已经建立的方法才可以在子类中被覆盖，如下图所示：
  
  基类和子类有着完全相同的接口，这样向上转型时永远不需要知道正在处理的对象的确切类型，这通过多态来实现。

• is-like-a关系：子类扩展了基类接口。它有着相同的基本接口，但是他还具有由额外方法实现的其他特性。
  
  缺点就是子类中接口的扩展部分不能被基类访问，因此一旦向上转型，就不能调用那些新方法。

3. 运行时类型信息（RTTI + 反射）

• 概念
  RTTI：运行时类型信息使得你可以在程序运行时发现和使用类型信息。

• 使用方式
  Java是如何让我们在运行时识别对象和类的信息的，主要有两种方式（还有辅助的第三种方式，见下描述）：

• 一种是“传统的”RTTI，它假定我们在编译时已经知道了所有的类型，比如Shape s = (Shape)s1；

• 另一种是“反射”机制，它运行我们在运行时发现和使用类的信息，即使用Class.forName()。

• 其实还有第三种形式，就是关键字instanceof，它返回一个bool值，它保持了类型的概念，它指的是“你是这个类吗？或者你是这个类的派生类吗？”。而如果用==或equals比较实际的Class对象，就没有考虑继承—它或者是这个确切的类型，或者不是。

• 工作原理
  要理解RTTI在Java中的工作原理，首先必须知道类型信息在运行时是如何表示的，这项工作是由称为Class对象的特殊对象完成的，它包含了与类有关的信息。Java送Class对象来执行其RTTI，使用类加载器的子系统实现。

无论何时，只要你想在运行时使用类型信息，就必须首先获得对恰当的Class对象的引用，获取方式有三种：
（1）如果你没有持有该类型的对象，则Class.forName()就是实现此功能的便捷途，因为它不需要对象信息；
（2）如果你已经拥有了一个感兴趣的类型的对象，那就可以通过调用getClass()方法来获取Class引用了，它将返回表示该对象的实际类型的Class引用。Class包含很有有用的方法，比如：

package rtti;interface HasBatteries{}interface WaterProof{}interface Shoots{}class Toy {Toy() {}Toy(int i) {}}class FancyToy extends Toyimplements HasBatteries, WaterProof, Shoots {FancyToy() {super(1);}}public class RTTITest {static void printInfo(Class cc) {System.out.println("Class name: " + cc.getName() + ", is interface? [" + cc.isInterface() + "]");System.out.println("Simple name: " + cc.getSimpleName());System.out.println("Canonical name: " + cc.getCanonicalName());}public static void main(String[] args) {Class c = null;try {c = Class.forName("rtti.FancyToy"); // 必须是全限定名（包名+类名）} catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("Can't find FancyToy");System.exit(1);}printInfo(c);for(Class face : c.getInterfaces()) {printInfo(face);}Class up = c.getSuperclass();Object obj = null;try {// Requires default constructor.obj = up.newInstance();} catch (InstantiationException e) {System.out.println("Can't Instantiate");System.exit(1);} catch (IllegalAccessException e) {System.out.println("Can't access");System.exit(1);}printInfo(obj.getClass());}}

输出：

Class name: rtti.FancyToy, is interface? [false]
Simple name: FancyToy
Canonical name: rtti.FancyToy
Class name: rtti.HasBatteries, is interface? [true]
Simple name: HasBatteries
Canonical name: rtti.HasBatteries
Class name: rtti.WaterProof, is interface? [true]
Simple name: WaterProof
Canonical name: rtti.WaterProof
Class name: rtti.Shoots, is interface? [true]
Simple name: Shoots
Canonical name: rtti.Shoots
Class name: rtti.Toy, is interface? [false]
Simple name: Toy
Canonical name: rtti.Toy

（3）Java还提供了另一种方法来生成对Class对象的引用，即使用类字面常量。比如上面的就像这样：FancyToy.class;来引用。
这样做不仅更简单，而且更安全，因为它在编译时就会受到检查（因此不需要置于try语句块中），并且它根除了对forName方法的引用，所以也更高效。类字面常量不仅可以应用于普通的类，也可以应用于接口、数组以及基本数据类型。

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注意：当使用“.class”来创建对Class对象的引用时，不会自动地初始化该Class对象，初始化被延迟到了对静态方法（构造器隐式的是静态的）或者非final静态域（注意final静态域不会触发初始化操作）进行首次引用时才执行：。而使用Class.forName时会自动的初始化。

为了使用类而做的准备工作实际包含三个步骤：
- 加载：由类加载器执行。查找字节码，并从这些字节码中创建一个Class对象
- 链接：验证类中的字节码，为静态域分配存储空间，并且如果必需的话，将解析这个类创建的对其他类的所有引用。
- 初始化：如果该类具有超类，则对其初始化，执行静态初始化器和静态初始化块。

这一点非常重要，下面通过一个实例来说明这两者的区别：

package rtti;import java.util.Random;class Initable {static final int staticFinal = 47;static final int staticFinal2 = ClassInitialization.rand.nextInt(1000);static {System.out.println("Initializing Initable");}}class Initable2 {static int staticNonFinal = 147;static {System.out.println("Initializing Initable2");}}class Initable3 {static int staticNonFinal = 74;static {System.out.println("Initializing Initable3");}}public class ClassInitialization {public static Random rand = new Random(47);public static void main(String[] args) {// Does not trigger initializationClass initable = Initable.class;System.out.println("After creating Initable ref");// Does not trigger initializationSystem.out.println(Initable.staticFinal);// Does trigger initialization(rand() is static method)System.out.println(Initable.staticFinal2);// Does trigger initialization(not final)System.out.println(Initable2.staticNonFinal);try {Class initable3 = Class.forName("rtti.Initable3");} catch (ClassNotFoundException e) {System.out.println("Can't find Initable3");System.exit(1);}System.out.println("After creating Initable3 ref");System.out.println(Initable3.staticNonFinal);}}

输出：

After creating Initable ref
47
Initializing Initable
258
Initializing Initable2
147
Initializing Initable3
After creating Initable3 ref
74

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• RTTI的限制？如何突破？ — 反射机制
  如果不知道某个对象的确切类型，RTTI可以告诉你，但是有一个限制：这个类型在编译时必须已知，这样才能使用RTTI识别它，也就是在编译时，编译器必须知道所有要通过RTTI来处理的类。

可以突破这个限制吗？是的，突破它的就是反射机制。
Class类与java.lang.reflect类库一起对反射的概念进行了支持，该类库包含了Field、Method以及Constructor类（每个类都实现了Member接口）。这些类型的对象是由JVM在运行时创建的，用以表示未知类里对应的成员。这样你就可以使用Constructor创建新的对象，用get()/set()方法读取和修改与Field对象关联的字段，用invoke()方法调用与Method对象关联的方法。另外，还可以调用getFields()、getMethods()和getConstructors()等很便利的方法，以返回表示字段、方法以及构造器的对象的数组。这样，匿名对象的类信息就能在运行时被完全确定下来，而在编译时不需要知道任何事情。

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####反射与RTTI的区别
当通过反射与一个未知类型的对象打交道时，JVM只是简单地检查这个对象，看它属于哪个特定的类（就像RTTI那样），在用它做其他事情之前必须先加载那个类的Class对象，因此，那个类的.class文件对于JVM来说必须是可获取的：要么在本地机器上，要么可以通过网络取得。所以RTTI与反射之间真正的区别只在于：对RTTI来说，编译器在编译时打开和检查.class文件（也就是可以用普通方法调用对象的所有方法）；而对于反射机制来说，.class文件在编译时是不可获取的，所以是在运行时打开和检查.class文件。

下面的例子是用反射机制打印出一个类的所有方法（包括在基类中定义的方法）：

package typeinfo;import java.lang.reflect.Constructor;import java.lang.reflect.Method;import java.util.regex.Pattern;// Using reflection to show all the methods of a class.// even if the methods are defined in the base class.public class ShowMethods {private static String usage = "usage: \n" + "ShowMethods qualified.class.name\n" +"To show all methods in class or: \n" +"ShowMethods qualified.class.name word\n" +"To search for methods involving 'word'";private static Pattern p = Pattern.compile("\\w+\\.");public static void main(String[] args) {if(args.length < 1) {System.out.println(usage);System.exit(0);}int lines = 0;try {Class<?> c = Class.forName(args[0]);Method[] methods = c.getMethods();Constructor[] ctors = c.getConstructors();if(args.length == 1) {for(Method method : methods) {System.out.println(p.matcher(method.toString()).replaceAll(""));}for(Constructor ctor : ctors) {System.out.println(p.matcher(ctor.toString()).replaceAll(""));}lines = methods.length + ctors.length;} else {for(Method method : methods) {if(method.toString().indexOf(args[1]) != -1) {

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