語言深入:java中究竟是傳值還是傳引用

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 首先,推薦對Java有一定理解的同仁一本書《Practical Java》。在《Practical Java》中也有一個章節介紹Java中關於傳值和傳引用的問題,堪稱經典。《Practical Java》在Java中,事實上底層工作原理不存在傳引用的概念,這也象《Practical Java》中所說的那樣,Java中只有傳值。這句話理解起來需要費一定的周折。

      熟悉C的程序員都用過指針,對指針可謂愛之深恨之切。指針是指向一塊內存地址的內存數據(有些拗口),也就是說指針本身是一個佔用4字節內存的int(32 位系統內),而這個int值恰恰又是另一塊內存的地址。比如"hello"這個字串,存放在@0x0000F000這個地址到@0x0000F005這段內存區域內(包括0x00的結束字節)。而在@0x0000FFF0到@0x0000FFF03這四個字節內存放着一個int,這個int的值是 @0x0000F000。這樣就形成了一個指向"hello"字串的指針。

      在Java中,很多人說沒有指針,事實上,在Java更深層次裏,到處都是大師封裝好的精美絕倫的指針。爲了更容易的講解Java中關於類和類型的調用,Java中出現了值與引用的說法。淺顯的來說,我們可以認爲Java中的引用與C中的指針等效(其實差別非常非常大,但是爲了說明我們今天的問題,把他們理解爲等效是沒有任何問題的)。

      所謂傳引用的說法是爲了更好的講解調用方式。基於上面對指針的理解,我們不難看出,指針其實也是一個int值,所謂傳引用,我們是複製了複製了指針的int值進行傳遞。爲了便於理解,我們可以姑且把指針看作一種數據類型,透明化指針的int特性,從而提出傳引用的概念。

      重申一遍:Java中只有傳值。

      1所謂傳值和傳引用

      傳值和傳引用的問題一直是Java裏爭論的話題。與C++不同的,Java裏面沒有指針的概念,Java的設計者巧妙的對指針的操作進行了管理。事實上,在懂C++的Java程序員眼中,Java到處都是精美絕倫的指針。
下面舉個簡單的例子,說明什麼是傳值,什麼是傳引用。
//例1

void method1(){
int x=0;
this.change(x);
System.out.println(x);
}
void change(int i){
i=1;
}

      很顯然的,在mothod1中執行了change(x)後,x的值並不會因爲change方法中將輸入參數賦值爲1而變成1,也就是說在執行change(x)後,x的值z依然是0。這是因爲x傳遞給change(int i)的是值。這就是最簡單的傳值。
同樣的,進行一點簡單的變化。
//例2

void method1(){
StringBuffer x=new StringBuffer("Hello");
this.change(x);
System.out.println(x);
}
void change(StringBuffer i){
i.append(" world!");
}


      看起來沒什麼變化,但是這次mothed1中執行了change (x)後,x的值不再是"Hello"了,而是變成了"Hello world!"。這是因爲x傳遞給change(i)的是x的引用。這是最經典的傳引用。
似乎有些奇怪了,兩段程序沒有特別的不同,可是爲什麼一個傳的是值而另一個傳的是引用呢?......

      2非要搞清楚傳值還是傳引用的問題嗎?

      搞清楚這自然是有必要的,不然我也不需要寫這麼多了,不過的確沒有到"非要"的地步。


      首先,如果我們不太關心什麼是傳值什麼是傳引用,我們一樣能寫出漂亮的代碼,但是這些代碼在運行過程中可能會存在着極大的隱患。全局變量是讓大家深惡痛絕(又難以割捨)的東西,原因就是使用全局變量要特別注意數據的保護。如果在多線程的程序裏使用全局變量簡直就等於跟自己過不去。不瞭解傳值和傳引用的問題,跟使用全局變量不考慮數據保護的罪過是不相上下下的,甚至有時候比它還要糟。你會莫名其妙,爲什麼我的返回參數沒有起作用,爲什麼我傳進去的參數變成了這樣......?
一個例子:
//例3
void mothed1(){
int x=0;
int y=1;
switchValue(x,y);
System.out.println("x="+x);
System.out.println("y="+y);
}
void switchValue(int a,int b){

int c=a;
a=b;
b=c;
}
      上面是一個交換a,b值的函數,看起來似乎蠻正確的,但是這個函數永遠也不會完成你想要的工作。
      還有一個例子:
//例4
StringBuffer a=new StringBuffer("I am a ");
StringBuffer b=a;
a.append("after append");
a=b;
System.out.println("a="+a);
在編程過程中,經常會遇到這種情況,一個變量的值要被臨時改變一下,等用完之後再恢復到開始的值。就好像上面的例子,a爲了保持它的值,使用b=a做賦值,之後a被改變,再之後a把暫存在b裏面的值取回來。這是我們一廂情願的想法,而事實上,這段代碼執行後,你會發現a的值已經改變了。
以上是兩個最簡單的例子,真正的程序開發過程中,比這要複雜的情況每天都會遇到。

      3類型和類

      Java 提出的思想,在Java裏面任何東西都是類。但是Java裏面同時還有簡單數據類型int,byte,char,boolean,與這些數據類型相對應的類是Integer,Byte,Character,Boolean,這樣做依然不會破壞Java關於任何東西都是類的提法。這裏提到數據類型和類似乎和我們要說的傳值和傳引用的問題無關,但這是我們分辨傳值和傳引用的基礎。

      4試圖分辨傳值還是傳引用

      爲什麼是"試圖分辨"呢?很簡單,傳值和傳引用的問題無處不在,但是似乎還沒有人能正統的給出標準,怎樣的就是值拷貝調用,怎樣的就是引用調用。面對這個問題,我們更多的應該是來自平時積累對Java的理解。
      回過頭來,我們分析一下上面的幾個例子:
      先看例1,即使你不明白爲什麼,但是你應該知道這樣做肯定不會改變x的值。爲了方便說明,我們給例子都加上行號。
//例1
1 void method1(){
2   int x=0;
3   this.change(x);
4 }
5
6 void change(int i){
7 i=7;
8}
      讓我們從內存的存儲方式看一下x和I之間到底是什麼關係。
      在執行到第2行的時候,變量x指向一個存放着int 0的內存地址。

      變量x---->[存放值0]

      執行第3行調用change(x)方法的時候,內存中是這樣的情形:x把自己值在內存中複製一份,然後變量i指向這個被複製出來的0。

      變量x---->[存放值0]
                        ↓進行了一次值複製
      變量x---->[存放值0]

      這時候再執行到第7行的時候,變量i的被賦值爲7,而這一步的操作已經跟x沒有任何關係了。

      變量x---->[存放值0]
             
      變量x---->[存放值7]

      說到這裏應該已經理解爲什麼change(x)不能改變x的值了吧?因爲這個例子是傳值的。
那麼,試着分析一下爲什麼例三中的switchValue()方法不能完成變量值交換的工作?
再看例2。
//例2
1void method1(){
2 StringBuffer x=new StringBuffer("Hello");
3 this.change(x);
4}
5
6void change(StringBuffer i){
7 i.append(" world!");
8}
      例2似乎和例1從代碼上看不出什麼差別,但是執行結果卻是change(x)能改變x的值。依然才從內存的存儲角度來看看例2的蹊蹺在哪裏。
在執行到第2行時候,同例1一樣,x指向一個存放"Hello"的內存空間。

      變量x---->[存放值"Hello"]

      接下來執行第三行change(x),注意,這裏就與例1有了本質的不同:調用change(x)時,變量i也指向了x指向的內存空間,而不是指向x的一個拷貝。

      變量x \
              -->[存放值"Hello"]
      變量x /

      於是,第7行對i調用append方法,改變i指向的內存空間的值,x的值也就隨之改變了。

      變量x \
              -->[追加爲"Hello World!"]
      變量x /

      爲什麼x值能改變呢?因爲這個例子是傳引用的。
這幾個例子是明白了,可是很多人會開始有另一個疑問了:這樣看來,到底什麼時候是傳的值什麼時候是傳得引用呢?於是,我們前面講到的類型和類在這裏就派上了用場:對於參數傳遞,如果是簡單數據類型,那麼它傳遞的是值拷貝,對於類的實例它傳遞的是類的引用。需要注意的是,這條規則只適用於參數傳遞。爲什麼這麼說呢?我們看看這樣一個例子:
//例5
String str="abcdefghijk";
str.replaceAll("b","B");
      這兩句執行後,str的內容依然是"abcdefghijk",但是我們明明是對str操作的,爲什麼是這樣的呢?因爲str的值究竟會不會被改變完全取決於replaceAll這個方法是怎麼實現的。類似的,有這樣一個例子:
//例6
1 void method1() {
2 StringBuffer x = new StringBuffer("Hello");
3 change1(x);
4 System.out.println(x);
5 }
6
7 void method2() {
8 StringBuffer x = new StringBuffer("Hello");
9 change2(x);
10 System.out.println(x);
11 }
12
13 void change1(StringBuffer sb) {
14 sb.append(" world!");
15 }
16
17 void change2(StringBuffer sb) {
18 sb = new StringBuffer("hi");
19 sb.append(" world!");
20 }
      調用method1(),屏幕打印結果爲:"Hello world!"
調用method2(),我們認爲結果應該是"hi world",因爲sb傳進來的是引用。可是實際執行的結果是"Hello"!
難道change2()又變成傳值了?!其實change1()和change2()的確都是通過參數傳入引用,但是在方法內部因爲處理方法的不同而使結果大相徑庭。我們還是從內存的角度分析:
執行method1()和change1()不用再多說了,上面的例子已經講解過,這裏我們分析一下method2()和change2()。
      程序執行到第8行,x指向一個存放着"Hello"的內存空間。

      變量x---->[存放值"Hello"]

      第9行調用change2,將sb指向x指向的內存空間,也就是傳入x的引用。

      變量x \
              -->[存放值"Hello"]
      變量x /

      到這裏爲止還沒有什麼異樣,接下來執行18行,這裏就出現了類似傳入值拷貝的變化:new 方法並沒有改變sb指向內存的內容,而是在內從中開闢了一塊新的空間存放串"hi",同時sb指向了這塊空間。

      變量x---->[存放值"Hello"]
            ×原有的引用被切斷
      變量x---->[另一塊存放"hi"的空間]

      接下來再對sb進行append已經和x沒有任何關係了。
所以,還有一條不成規則的規則:對於函數調用,最終效果是什麼完全看函數內部的實現。比較標準的做法是如果會改變引用的內容,則使用void作爲方法返回值,而不會改變引用內容的則在返回值中返回新的值。
雖然已經說了這麼多,但是感覺傳值還是傳引用的問題依然沒有完全說清楚。因爲這個問題本身就是很難歸納總結的問題,所以更多的理解要靠平時的積累和形成。下面幾個例子,給大家嘗試進行分析。
//例7,打印結果是什麼?
public static void main(String[] args) {
int a;
int b;
StringBuffer c;
StringBuffer d;
a = 0;
b = a;
c = new StringBuffer("This is c");
d = c;

a = 2;
c.append("!!");

System.out.println("a=" + a);
System.out.println("b=" + b);
System.out.println("c=" + c);
System.out.println("d=" + d);
}

//例8,打印結果是什麼?
public class Test{

        public static void main(String[] args) {

         StringBuffer sb = new StringBuffer("Hello ");

         System.out.println("Before change, sb = " + sb);

         changeData(sb);

         System.out.println("After changeData(n), sb = " + sb);

     }

     

        public static void changeData(StringBuffer strBuf) {

            StringBuffer sb2 = new StringBuffer("Hi ");

            strBuf = sb2;

            sb2.append("World!");

     }

}

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