五、初始化和清理

有两个安全性问题：初始化和清理。

1、利用构造器保证初始化

如果一个类有构造器，那么 Java 会在用户使用对象之前（即对象刚创建完成）自动调用对象的构造器方法，从而保证初始化。

如何命名构造器方法？存在两个问题：

1. 任何命名都可能与类中其他已有元素的命名冲突
2. 编译器必须始终知道构造器方法名称，从而调用它
   所以构造器名称与类名相同

2、方法重载

方法是行为的命名，你通过名字指代所有的对象，属性和方法。

相同的词可以表达多种不同的含义——它们被"重载"了
构造器必须使用方法重载

如果两个方法命名相同，Java是怎么知道你调用的是哪个呢？有一条简单的规则：每个被重载的方法必须有独一无二的参数列表。

为什么只能通过类名和参数列表，不能通过方法的返回值区分方法呢?
你可以调用一个方法且忽略返回值。这叫做调用一个函数的副作用，因为你不在乎返回值，只是想利用方法做些事。因为这个原因，所以你不能根据返回值类型区分重载的方法。为了支持新特性，Java 8 在一些具体情形下提高了猜测的准确度，但是通常来说并不起作用。

3、无参构造器

一旦你显式地定义了构造器（无论有参还是无参），编译器就不会自动为你创建无参构造器。

4、this

this 关键字只能在非静态方法内部使用。当你调用一个对象的方法时，this 生成了一个对象引用。你可以像对待其他引用一样对待这个引用。如果你在一个类的方法里调用其他该类中的方法，不要使用 this，直接调用即可，this 自动地应用于其他方法上了。

• this 关键字只用在一些必须显式使用当前对象引用的特殊场合。例如，用在 return 语句中返回对当前对象的引用。
• this 关键字在向其他方法传递当前对象时也很有用
• 当你在一个类中写了多个构造器，有时你想在一个构造器中调用另一个构造器来避免代码重复。你通过 this 关键字实现这样的调用。只能通过 this 调用一次构造器。
• static 方法中不会存在 this。静态方法是为类而创建的，不需要任何对象。你不能在静态方法中调用非静态方法（反之可以）。一个类中的静态方法可以被其他的静态方法和静态属性访问。

5、垃圾回收器

用完一个对象就不管它并非总是安全的。

现在考虑一种特殊情况：你创建的对象不是通过 new 来分配内存的，而垃圾回收器只知道如何释放用 new 创建的对象的内存，所以它不知道如何回收不是 new 分配的内存。为了处理这种情况，Java 允许在类中定义一个名为 finalize() 的方法。当垃圾回收器准备回收对象的内存时，首先会调用其 finalize() 方法，并在下一轮的垃圾回收动作发生时，才会真正回收对象占用的内存。 所以如果你打算使用 finalize() ，就能在垃圾回收时做一些重要的清理工作。
在 Java 中，对象并非总是被垃圾回收。

1. 对象可能不被垃圾回收。
2. 垃圾回收不等同于析构。
3. 垃圾回收只与内存有关。垃圾回收的唯一原因就是为了回收程序不再使用的内存。所以对于与垃圾回收有关的任何行为来说（尤其是 finalize() 方法），它们也必须同内存及其回收有关。

看起来之所以有 finalize() 方法，是因为在分配内存时可能采用了类似 C 语言中的做法，而非 Java 中的通常做法。这种情况主要发生在使用"本地方法"的情况下，本地方法是一种用 Java 语言调用非 Java 语言代码的形式（关于本地方法的讨论，见本书电子版第2版的附录B）。本地方法目前只支持 C 和 C++，但是它们可以调用其他语言写的代码，所以实际上可以调用任何代码。在非 Java 代码中，也许会调用 C 的 malloc() 函数系列来分配存储空间，而且除非调用 free() 函数，不然存储空间永远得不到释放，造成内存泄露。但是，free() 是 C 和 C++ 中的函数，所以你需要在 finalize() 方法里用本地方法调用它。

垃圾回收器的存在并不能完全替代析构函数（而且绝对不能直接调用 finalize()，所以这也不是一种解决方案）。如果希望进行除释放存储空间之外的清理工作，还是得明确调用某个恰当的 Java 方法：这就等同于使用析构函数了，只是没有它方便。记住，无论是"垃圾回收"还是"终结"，都不保证一定会发生。如果 Java 虚拟机（JVM）并未面临内存耗尽的情形，它可能不会浪费时间执行垃圾回收以恢复内存。

5.1 垃圾回收器如何工作

Java 从堆空间分配的速度可以和其他语言在栈上分配空间的速度相媲美。

在某些 Java 虚拟机中，堆的实现截然不同：它更像一个传送带，每分配一个新对象，它就向前移动一格。这意味着对象存储空间的分配速度特别快。Java 的"堆指针"只是简单地移动到尚未分配的区域，所以它的效率与 C++ 在栈上分配空间的效率相当。当然实际过程中，在簿记工作方面还有少量额外开销，但是这部分开销比不上查找可用空间开销大。
当它工作时，一边回收内存，一边使堆中的对象紧凑排列，这样"堆指针"就可以很容易地移动到更靠近传送带的开始处，也就尽量避免了页面错误**。垃圾回收器通过重新排列对象，实现了一种高速的、有无限空间可分配的堆模型。**

• 一种简单但速度很慢的垃圾回收机制叫做引用计数。每个对象中含有一个引用计数器，每当有引用指向该对象时，引用计数加
  1。当引用离开作用域或被置为 null 时，引用计数减
  1。因此，管理引用计数是一个开销不大但是在程序的整个生命周期频繁发生的负担。垃圾回收器会遍历含有全部对象的列表，当发现某个对象的引用计数为
  0 时，就释放其占用的空间（但是，引用计数模式经常会在计数为 0
  时立即释放对象）。这个机制存在一个缺点：如果对象之间存在循环引用，那么它们的引用计数都不为 0，就会出现应该被回收但无法被回收的情况。
• 在更快的策略中，垃圾回收器并非基于引用计数。它们依据的是：对于任意"活"的对象，一定能最终追溯到其存活在栈或静态存储区中的引用。这个引用链条可能会穿过数个对象层次，由此，如果从栈或静态存储区出发，遍历所有的引用，你将会发现所有"活"的对象。对于发现的每个引用，必须追踪它所引用的对象，然后是该对象包含的所有引用，如此反复进行，直到访问完"根源于栈或静态存储区的引用"所形成的整个网络。你所访问过的对象一定是"活"的。注意，这解决了对象间循环引用的问题，这些对象不会被发现，因此也就被自动回收了。在这种方式下，Java 虚拟机采用了一种自适应的垃圾回收技术。至于如何处理找到的存活对象，取决于不同的 Java 虚拟机实现。其中有一种做法叫做停止-复制（stop-and-copy）。顾名思义，这需要先暂停程序的运行（不属于后台回收模式），然后将所有存活的对象从当前堆复制到另一个堆，没有复制的就是需要被垃圾回收的。另外，当对象被复制到新堆时，它们是一个挨着一个紧凑排列，然后就可以按照前面描述的那样简单、直接地分配新空间了。这种所谓的"复制回收器"效率低下主要因为两个原因。其一：得有两个堆，然后在这两个分离的堆之间来回折腾，得维护比实际需要多一倍的空间。某些 Java 虚拟机对此问题的处理方式是，按需从堆中分配几块较大的内存，复制动作发生在这些大块内存之间。其二在于复制本身。一旦程序进入稳定状态之后，可能只会产生少量垃圾，甚至没有垃圾。尽管如此，复制回收器仍然会将所有内存从一处复制到另一处，这很浪费。
• 为了避免这种状况，一些 Java 虚拟机会进行检查：要是没有新垃圾产生，就会转换到另一种模式（即"自适应"）。这种模式称为标记-清扫（mark-and-sweep），Sun 公司早期版本的 Java 虚拟机一直使用这种技术。对一般用途而言，"标记-清扫"方式速度相当慢，但是当你知道程序只会产生少量垃圾甚至不产生垃圾时，它的速度就很快了。"标记-清扫"所依据的思路仍然是从栈和静态存储区出发，遍历所有的引用，找出所有存活的对象。但是，每当找到一个存活对象，就给对象设一个标记，并不回收它。只有当标记过程完成后，清理动作才开始。在清理过程中，没有标记的对象将被释放，不会发生任何复制动作。"标记-清扫"后剩下的堆空间是不连续的，垃圾回收器要是希望得到连续空间的话，就需要重新整理剩下的对象。

"停止-复制"指的是这种垃圾回收动作不是在后台进行的；相反，垃圾回收动作发生的同时，程序将会暂停。在 Oracle 公司的文档中会发现，许多参考文献将垃圾回收视为低优先级的后台进程，但是早期版本的 Java 虚拟机并不是这么实现垃圾回收器的。当可用内存较低时，垃圾回收器会暂停程序。同样，"标记-清扫"工作也必须在程序暂停的情况下才能进行。

这里讨论的 Java 虚拟机中，内存分配以较大的"块"为单位。如果对象较大，它会占用单独的块。严格来说，"停止-复制"要求在释放旧对象之前，必须先将所有存活对象从旧堆复制到新堆，这导致了大量的内存复制行为。有了块，垃圾回收器就可以把对象复制到废弃的块。每个块都有年代数来记录自己是否存活。通常，如果块在某处被引用，其年代数加 1，垃圾回收器会对上次回收动作之后新分配的块进行整理。这对处理大量短命的临时对象很有帮助。垃圾回收器会定期进行完整的清理动作——大型对象仍然不会复制（只是年代数会增加），含有小型对象的那些块则被复制并整理。Java 虚拟机会监视，如果所有对象都很稳定，垃圾回收的效率降低的话，就切换到"标记-清扫"方式。同样，Java 虚拟机会跟踪"标记-清扫"的效果，如果堆空间出现很多碎片，就会切换回"停止-复制"方式。这就是"自适应"的由来，你可以给它个啰嗦的称呼："自适应的、分代的、停止-复制、标记-清扫"式的垃圾回收器。

5.2、提升速度的附加技术

• Java 虚拟机中有许多附加技术用来提升速度。尤其是与加载器操作有关的，被称为"即时"（Just-In-Time,JIT）编译器的技术。这种技术可以把程序全部或部分翻译成本地机器码，所以不需要 JVM来进行翻译，因此运行得更快。当需要装载某个类（通常是创建该类的第一个对象）时，编译器会先找到其 .class文件，然后将该类的字节码装入内存。 你可以让即时编译器编译所有代码，但这种做法有两个缺点：

  1. 这种加载动作贯穿整个程序生命周期内，累加起来需要花更多时间。
  2. 会增加可执行代码的长度（字节码要比即时编译器展开后的本地机器码小很多），这会导致页面调度，从而一定降低程序速度。

• 另一种做法称为惰性评估，意味着即时编译器只有在必要的时候才编译代码。这样，从未被执行的代码也许就压根不会被 JIT 编译。新版 JDK中的 Java HotSpot 技术就采用了类似的做法，代码每被执行一次就优化一些，所以执行的次数越多，它的速度就越快。

6、初始化

6.1、成员初始化

Java 尽量保证所有变量在使用前都能得到恰当的初始化。
局部变量必须初始化。
在类里定义一个对象引用时，如果不将其初始化，那么引用就会被赋值为 null。

6.1.1、指定初始化

• 在定义类成员变量的地方为其赋值。可以用同样的方式初始化非基本类型的对象
• 通过调用某个方法来提供初值

6.2、构造器初始化

用构造器进行初始化，在运行时调用方法进行初始化。但是，这无法阻止自动初始化的进行，他会在构造器被调用之前发生。
因此，如果使用如下代码：

// housekeeping/Counter.java

public class Counter {
    int i;

    Counter() {
        i = 7;
    }
    // ...
}

i 首先会被初始化为 0，然后变为 7。

6.2.1、初始化顺序

在类中变量定义的顺序决定了它们初始化的顺序。即使变量定义散布在方法定义之间，它们仍会在任何方法（包括构造器）被调用之前得到初始化。

6.2.2、静态数据的初始化

无论创建多少个对象，静态数据都只占用一份存储区域。
static 关键字不能应用于局部变量，所以只能作用于属性（字段、域）。如果一个字段是静态的基本类型，你没有初始化它，那么它就会获得基本类型的标准初值。如果它是对象引用，那么它的默认初值就是 null。

class Bowl {
    Bowl(int marker) {
        System.out.println("Bowl(" + marker + ")");
    }

    void f1(int marker) {
        System.out.println("f1_in_bowl(" + marker + ")");
    }
}

class Table {
    static Bowl bowl1 = new Bowl(1);

    Table() {
        System.out.println("Table()");
        bowl2.f1(1);
    }

    void f2(int marker) {
        System.out.println("f2_In_Table(" + marker + ")");
    }

    static Bowl bowl2 = new Bowl(2);
}

class Cupboard {
    Bowl bowl3 = new Bowl(3);
    static Bowl bowl4 = new Bowl(4);

    Cupboard() {
        System.out.println("Cupboard()");
        bowl4.f1(2);
    }

    void f3(int marker) {
        System.out.println("f3_In_Cupboard(" + marker + ")");
    }

    static Bowl bowl5 = new Bowl(5);
}

public class StaticInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main creating new Cupboard()");
        new Cupboard();
        System.out.println("main creating new Cupboard()");
        new Cupboard();
        table.f2(1);
        cupboard.f3(1);
    }

    static Table table = new Table();
    static Cupboard cupboard = new Cupboard();
}

初始化的顺序先是静态对象（如果它们之前没有被初始化的话），然后是非静态对象。概括一下创建对象的过程，假设有个名为 Dog 的类

1. 即使没有显式地使用 static 关键字，构造器实际上也是静态方法。所以，当首次创建 Dog 类型的对象或是首次访问 Dog 类的静态方法或属性时，Java 解释器必须在类路径中查找，以定位 Dog.class。
2. 当加载完 Dog.class 后（后面会学到，这将创建一个 Class 对象），有关静态初始化的所有动作都会执行。因此，静态初始化只会在首次加载 Class 对象时初始化一次。
3. 当用 new Dog() 创建对象时，首先会在堆上为 Dog 对象分配足够的存储空间。
4. 分配的存储空间首先会被清零，即会将 Dog 对象中的所有基本类型数据设置为默认值（数字会被置为 0，布尔型和字符型也相同），引用被置为 null。
5. 执行所有出现在字段定义处的初始化动作。
6. 执行构造器。你将会在"复用"这一章看到，这可能会牵涉到很多动作，尤其当涉及继承的时候。

6.2.3、显示的静态初始化

你可以将一组静态初始化动作放在类里面一个特殊的"静态子句"（有时叫做静态块）中。像下面这样：

// housekeeping/Spoon.java

public class Spoon {
    static int i;

    static {
        i = 47;
    }
}

实际上它只是一段跟在 static 关键字后面的代码块。与其他静态初始化动作一样，这段代码仅执行一次：当**首次创建这个类的对象或首次访问这个类的静态成员（甚至不需要创建该类的对象）**时。

// housekeeping/ExplicitStatic.java
// Explicit static initialization with "static" clause

class Cup {
    Cup(int marker) {
        System.out.println("Cup(" + marker + ")");
    }

    void f(int marker) {
        System.out.println("f(" + marker + ")");
    }
}

class Cups {
    static Cup cup1;
    static Cup cup2;

    static {
        cup1 = new Cup(1);
        cup2 = new Cup(2);
    }

    Cups() {
        System.out.println("Cups()");
    }
}

public class ExplicitStatic {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Inside main()");
        Cups.cup1.f(99); // [1]
    }

    // static Cups cups1 = new Cups(); // [2]
    // static Cups cups2 = new Cups(); // [2]
}

输出：

Inside main
Cup(1)
Cup(2)
f(99)

无论是通过标为 [1] 的行访问静态的 cup1 对象，还是把标为 [1] 的行去掉，让它去运行标为 [2] 的那行代码（去掉 [2] 的注释），Cups 的静态初始化动作都会执行。如果同时注释 [1] 和 [2] 处，那么 Cups 的静态初始化就不会进行。此外，把标为 [2] 处的注释都去掉还是只去掉一个，静态初始化只会执行一次。

6.2.4、非静态实例初始化

Java 提供了被称为实例初始化的类似语法，用来初始化每个对象的非静态变量，例如：

// housekeeping/Mugs.java
// Instance initialization

class Mug {
    Mug(int marker) {
        System.out.println("Mug(" + marker + ")");
    }
}

public class Mugs {
    Mug mug1;
    Mug mug2;
    { // [1]
        mug1 = new Mug(1);
        mug2 = new Mug(2);
        System.out.println("mug1 & mug2 initialized");
    }

    Mugs() {
        System.out.println("Mugs()");
    }

    Mugs(int i) {
        System.out.println("Mugs(int)");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Inside main()");
        new Mugs();
        System.out.println("new Mugs() completed");
        new Mugs(1);
        System.out.println("new Mugs(1) completed");
    }
}

输出：

Inside main
Mug(1)
Mug(2)
mug1 & mug2 initialized
Mugs()
new Mugs() completed
Mug(1)
Mug(2)
mug1 & mug2 initialized
Mugs(int)
new Mugs(1) completed

看起来它很像静态代码块，只不过少了 static 关键字。这种语法对于支持"匿名内部类"（参见"内部类"一章）的初始化是必须的，但是你也可以使用它保证某些操作一定会发生，而不管哪个构造器被调用。从输出看出，实例初始化子句是在两个构造器之前执行的。

6.3、数组初始化

编译器不允许指定数组的大小。这又把我们带回有关"引用"的问题上。你所拥有的只是对数组的一个引用（你已经为该引用分配了足够的存储空间），但是还没有给数组对象本身分配任何空间。

为了给数组创建相应的存储空间，必须写初始化表达式。

对于数组，初始化动作可以出现在代码的任何地方，但是也可以使用一种特殊的初始化表达式，它必须在创建数组的地方出现。这种特殊的初始化是由一对花括号括起来的值组成。这种情况下，存储空间的分配（相当于使用 new） 将由编译器负责。

所有的数组（无论是对象数组还是基本类型数组）都有一个固定成员 length，告诉你这个数组有多少个元素，你不能对其修改。

6.3.1、动态数组创建

可以直接使用 new 在数组中创建元素。

int[] a = new int[new Random(47).nextInt(20)];

如果你创建了一个非基本类型的数组，那么你创建的是一个引用数组。

Random rand = new Random(47);
Integer[] a = new Integer[rand.nextInt(20)];    

它只是一个引用数组，直到通过创建新的 Integer 对象（通过自动装箱），并把对象赋值给引用，初始化才算结束。

a[i] = rand.nextInt(500);

如果忘记了创建对象，但试图使用数组中的空引用，就会在运行时产生异常。

6.3.2、可变参数列表

你可以以一种类似 C 语言中的可变参数列表（C 通常把它称为"varargs"）来创建和调用方法。这可以应用在参数个数或类型未知的场合。由于所有的类都最后继承于 Object 类（随着本书的进展，你会对此有更深的认识），所以你可以创建一个以 Object 数组为参数的方法，并像下面这样调用：

// housekeeping/VarArgs.java
// Using array syntax to create variable argument lists

class A {}

public class VarArgs {
    static void printArray(Object[] args) {
        for (Object obj: args) {
            System.out.print(obj + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        printArray(new Object[] {47, (float) 3.14, 11.11});
        printArray(new Object[] {"one", "two", "three"});
        printArray(new Object[] {new A(), new A(), new A()});
    }
}

默认行为（如果没有定义 toString() 方法的话，后面会讲这个方法）就是打印类名和对象的地址。

有了可变参数，你就再也不用显式地编写数组语法了，当你指定参数时，编译器实际上会为你填充数组。你获取的仍然是一个数组

// housekeeping/NewVarArgs.java
// Using array syntax to create variable argument lists

public class NewVarArgs {
    static void printArray(Object... args) {
        for (Object obj: args) {
            System.out.print(obj + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        // Can take individual elements:
        printArray(47, (float) 3.14, 11.11);
        printArray(47, 3.14F, 11.11);
        printArray("one", "two", "three");
        printArray(new A(), new A(), new A());
        // Or an array:
        printArray((Object[]) new Integer[] {1, 2, 3, 4});
        printArray(); // Empty list is OK
    }
}

如果你有一组事物，可以把它们当作列表传递，而如果你已经有了一个数组，该方法会把它们当作可变参数列表来接受。

可变参数列表中可以使用任何类型的参数，包括基本类型。

可变参数列表不依赖于自动装箱，而使用的是基本类型。

可变参数列表使得方法重载更加复杂了，你应该总是在重载方法的一个版本上使用可变参数列表（加入非可变参数区分），或者压根不用它。

7、枚举类型

在你创建 enum 时，编译器会自动添加一些有用的特性。例如，它会创建 toString() 方法，以便你方便地显示某个 enum 实例的名称，编译器还会创建 ordinal() 方法表示某个特定 enum 常量的声明顺序，static values() 方法按照 enum 常量的声明顺序，生成这些常量值构成的数组。

enum 确实是类，并且具有自己的方法。

enum 有一个很实用的特性，就是在 switch 语句中使用。由于 switch 是在有限的可能值集合中选择，因此它与 enum 是绝佳的组合。注意，enum 的名称是如何能够倍加清楚地表明程序的目的的。

小结

初始化在编程语言中的重要地位。错误的初始化会导致大量编程错误。这些错误很难被发现，同样，不合理的清理也会如此。因为构造器能保证进行正确的初始化和清理（没有正确的构造器调用，编译器就不允许创建对象），所以你就有了完全的控制和安全。

在不需要类似析构器行为的时候，Java 的垃圾回收器极大地简化了编程，并加强了内存管理上的安全性。一些垃圾回收器甚至能清理其他资源，如图形和文件句柄。然而，垃圾回收器确实增加了运行时开销，由于 Java 解释器从一开始就很慢，所以这种开销到底造成多大的影响很难看出来。随着时间的推移，Java 在性能方面提升了很多，但是速度问题仍然是它涉足某些特定编程领域的障碍。

组合，继承以及它们如何影响构造器。