1.7 對象的創(chuàng)建和存在時間

1.7 對象的創(chuàng)建和存在時間

從技術(shù)角度說，OOP（面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計）只是涉及抽象的數(shù)據(jù)類型淘正、繼承以及多形性绣硝，但另一些問題也可能顯得非常重要矩动。本節(jié)將就這些問題進(jìn)行探討。

最重要的問題之一是對象的創(chuàng)建及破壞方式。對象需要的數(shù)據(jù)位于哪兒芬膝，如何控制對象的“存在時間”呢望门？針對這個問題，解決的方案是各異其趣的锰霜。C++認(rèn)為程序的執(zhí)行效率是最重要的一個問題筹误，所以它允許程序員作出選擇。為獲得最快的運行速度癣缅，存儲以及存在時間可在編寫程序時決定厨剪，只需將對象放置在堆棧（有時也叫作自動或定域變量）或者靜態(tài)存儲區(qū)域即可。這樣便為存儲空間的分配和釋放提供了一個優(yōu)先級所灸。某些情況下丽惶，這種優(yōu)先級的控制是非常有價值的。然而爬立，我們同時也犧牲了靈活性钾唬，因為在編寫程序時，必須知道對象的準(zhǔn)確的數(shù)量侠驯、存在時間抡秆、以及類型。如果要解決的是一個較常規(guī)的問題吟策，如計算機輔助設(shè)計儒士、倉儲管理或者空中交通控制，這一方法就顯得太局限了檩坚。

第二個方法是在一個內(nèi)存池中動態(tài)創(chuàng)建對象着撩，該內(nèi)存池亦叫“堆”或者“內(nèi)存堆”。若采用這種方式匾委，除非進(jìn)入運行期拖叙，否則根本不知道到底需要多少個對象，也不知道它們的存在時間有多長赂乐，以及準(zhǔn)確的類型是什么薯鳍。這些參數(shù)都在程序正式運行時才決定的。若需一個新對象挨措，只需在需要它的時候在內(nèi)存堆里簡單地創(chuàng)建它即可挖滤。由于存儲空間的管理是運行期間動態(tài)進(jìn)行的，所以在內(nèi)存堆里分配存儲空間的時間比在堆棧里創(chuàng)建的時間長得多（在堆棧里創(chuàng)建存儲空間一般只需要一個簡單的指令浅役，將堆棧指針向下或向下移動即可）斩松。由于動態(tài)創(chuàng)建方法使對象本來就傾向于復(fù)雜，所以查找存儲空間以及釋放它所需的額外開銷不會為對象的創(chuàng)建造成明顯的影響觉既。除此以外砸民，更大的靈活性對于常規(guī)編程問題的解決是至關(guān)重要的。

C++允許我們決定是在寫程序時創(chuàng)建對象，還是在運行期間創(chuàng)建岭参，這種控制方法更加靈活反惕。大家或許認(rèn)為既然它如此靈活，那么無論如何都應(yīng)在內(nèi)存堆里創(chuàng)建對象演侯，而不是在堆棧中創(chuàng)建姿染。但還要考慮另外一個問題，亦即對象的“存在時間”或者“生存時間”（Lifetime）秒际。若在堆椥停或者靜態(tài)存儲空間里創(chuàng)建一個對象，編譯器會判斷對象的持續(xù)時間有多長娄徊，到時會自動“破壞”或者“清除”它闽颇。程序員可用兩種方法來破壞一個對象：用程序化的方式?jīng)Q定何時破壞對象，或者利用由運行環(huán)境提供的一種“垃圾收集器”特性寄锐，自動尋找那些不再使用的對象兵多，并將其清除。當(dāng)然橄仆，垃圾收集器顯得方便得多剩膘，但要求所有應(yīng)用程序都必須容忍垃圾收集器的存在，并能默許隨垃圾收集帶來的額外開銷盆顾。但這并不符合C++語言的設(shè)計宗旨怠褐，所以未能包括到C++里。但Java確實提供了一個垃圾收集器（Smalltalk也有這樣的設(shè)計您宪；盡管Delphi默認(rèn)為沒有垃圾收集器奈懒，但可選擇安裝；而C++亦可使用一些由其他公司開發(fā)的垃圾收集產(chǎn)品）宪巨。

本節(jié)剩下的部分將討論操縱對象時要考慮的另一些因素筐赔。

1.7.1 集合與繼承器

針對一個特定問題的解決，如果事先不知道需要多少個對象揖铜，或者它們的持續(xù)時間有多長，那么也不知道如何保存那些對象达皿。既然如此天吓，怎樣才能知道那些對象要求多少空間呢？事先上根本無法提前知道峦椰，除非進(jìn)入運行期龄寞。

在面向?qū)ο蟮脑O(shè)計中，大多數(shù)問題的解決辦法似乎都有些輕率——只是簡單地創(chuàng)建另一種類型的對象汤功。用于解決特定問題的新型對象容納了指向其他對象的句柄物邑。當(dāng)然，也可以用數(shù)組來做同樣的事情，那是大多數(shù)語言都具有的一種功能色解。但不能只看到這一點茂嗓。這種新對象通常叫作“集合”（亦叫作一個“容器”，但AWT在不同的場合應(yīng)用了這個術(shù)語科阎，所以本書將一直沿用“集合”的稱呼述吸。在需要的時候，集合會自動擴充自己锣笨，以便適應(yīng)我們在其中置入的任何東西蝌矛。所以我們事先不必知道要在一個集合里容下多少東西。只需創(chuàng)建一個集合错英，以后的工作讓它自己負(fù)責(zé)好了入撒。

幸運的是，設(shè)計優(yōu)良的OOP語言都配套提供了一系列集合椭岩。在C++中茅逮，它們是以“標(biāo)準(zhǔn)模板庫”（STL）的形式提供的旺嬉。Object Pascal用自己的“可視組件庫”（VCL）提供集合合陵。Smalltalk提供了一套非常完整的集合。而Java也用自己的標(biāo)準(zhǔn)庫提供了集合良风。在某些庫中姨伟，一個常規(guī)集合便可滿足人們的大多數(shù)要求惩琉；而在另一些庫中（特別是C++的庫），則面向不同的需求提供了不同類型的集合夺荒。例如瞒渠，可以用一個矢量統(tǒng)一對所有元素的訪問方式；一個鏈接列表則用于保證所有元素的插入統(tǒng)一技扼。所以我們能根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)念愋臀榫痢Ｆ渲邪㈥犃薪宋恰⑸⒘斜砬瞎俊洹⒍褩５鹊取?/p>

所有集合都提供了相應(yīng)的讀寫功能丽旅。將某樣?xùn)|西置入集合時椰棘，采用的方式是十分明顯的。有一個叫作“推”（Push）榄笙、“添加”（Add）或其他類似名字的函數(shù)用于做這件事情邪狞。但將數(shù)據(jù)從集合中取出的時候，方式卻并不總是那么明顯茅撞。如果是一個數(shù)組形式的實體帆卓，比如一個矢量（Vector）巨朦，那么也許能用索引運算符或函數(shù)。但在許多情況下剑令，這樣做往往會無功而返糊啡。此外，單選定函數(shù)的功能是非常有限的尚洽。如果想對集合中的一系列元素進(jìn)行操縱或比較悔橄，而不是僅僅面向一個，這時又該怎么辦呢腺毫？

辦法就是使用一個“繼續(xù)器”（Iterator）癣疟，它屬于一種對象，負(fù)責(zé)選擇集合內(nèi)的元素潮酒，并把它們提供給繼承器的用戶睛挚。作為一個類，它也提供了一級抽象急黎。利用這一級抽象扎狱，可將集合細(xì)節(jié)與用于訪問那個集合的代碼隔離開。通過繼承器的作用勃教，集合被抽象成一個簡單的序列淤击。繼承器允許我們遍歷那個序列，同時毋需關(guān)心基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是什么——換言之故源，不管它是一個矢量污抬、一個鏈接列表、一個堆棧绳军，還是其他什么東西印机。這樣一來，我們就可以靈活地改變基礎(chǔ)數(shù)據(jù)门驾，不會對程序里的代碼造成干擾射赛。Java最開始（在1.0和1.1版中）提供的是一個標(biāo)準(zhǔn)繼承器，名為Enumeration（枚舉）奶是，為它的所有集合類提供服務(wù)楣责。Java 1.2新增一個更復(fù)雜的集合庫，其中包含了一個名為Iterator的繼承器聂沙，可以做比老式的Enumeration更多的事情秆麸。

從設(shè)計角度出發(fā)，我們需要的是一個全功能的序列逐纬。通過對它的操縱，應(yīng)該能解決自己的問題削樊。如果一種類型的序列即可滿足我們的所有要求豁生，那么完全沒有必要再換用不同的類型兔毒。有兩方面的原因促使我們需要對集合作出選擇。首先甸箱，集合提供了不同的接口類型以及外部行為育叁。堆棧的接口與行為與隊列的不同，而隊列的接口與行為又與一個集（Set）或列表的不同芍殖。利用這個特征豪嗽，我們解決問題時便有更大的靈活性。

其次豌骏，不同的集合在進(jìn)行特定操作時往往有不同的效率龟梦。最好的例子便是矢量（Vector）和列表（List）的區(qū)別。它們都屬于簡單的序列窃躲，擁有完全一致的接口和外部行為计贰。但在執(zhí)行一些特定的任務(wù)時，需要的開銷卻是完全不同的蒂窒。對矢量內(nèi)的元素進(jìn)行的隨機訪問（存仍甑埂）是一種常時操作；無論我們選擇的選擇是什么洒琢，需要的時間量都是相同的秧秉。但在一個鏈接列表中，若想到處移動衰抑，并隨機挑選一個元素象迎，就需付出“慘重”的代價。而且假設(shè)某個元素位于列表較遠(yuǎn)的地方停士，找到它所需的時間也會長許多挖帘。但在另一方面，如果想在序列中部插入一個元素恋技，用列表就比用矢量劃算得多拇舀。這些以及其他操作都有不同的執(zhí)行效率，具體取決于序列的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是什么蜻底。在設(shè)計階段骄崩，我們可以先從一個列表開始。最后調(diào)整性能的時候薄辅，再根據(jù)情況把它換成矢量要拂。由于抽象是通過繼承器進(jìn)行的，所以能在兩者方便地切換站楚，對代碼的影響則顯得微不足道脱惰。

最后，記住集合只是一個用來放置對象的儲藏所窿春。如果那個儲藏所能滿足我們的所有需要拉一，就完全沒必要關(guān)心它具體是如何實現(xiàn)的（這是大多數(shù)類型對象的一個基本概念）采盒。如果在一個編程環(huán)境中工作，它由于其他因素（比如在Windows下運行蔚润，或者由垃圾收集器帶來了開銷）產(chǎn)生了內(nèi)在的開銷磅氨，那么矢量和鏈接列表之間在系統(tǒng)開銷上的差異就或許不是一個大問題。我們可能只需要一種類型的序列嫡纠。甚至可以想象有一個“完美”的集合抽象烦租，它能根據(jù)自己的使用方式自動改變基層的實現(xiàn)方式。

1.7.2 單根結(jié)構(gòu)

在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中除盏，由于C++的引入而顯得尤為突出的一個問題是：所有類最終是否都應(yīng)從單獨一個基礎(chǔ)類繼承叉橱。在Java中（與其他幾乎所有OOP語言一樣），對這個問題的答案都是肯定的痴颊，而且這個終級基礎(chǔ)類的名字很簡單赏迟，就是一個“Object”。這種“單根結(jié)構(gòu)”具有許多方面的優(yōu)點蠢棱。

單根結(jié)構(gòu)中的所有對象都有一個通用接口锌杀，所以它們最終都屬于相同的類型。另一種方案（就象C++那樣）是我們不能保證所有東西都屬于相同的基本類型泻仙。從向后兼容的角度看糕再，這一方案可與C模型更好地配合，而且可以認(rèn)為它的限制更少一些玉转。但假期我們想進(jìn)行純粹的面向?qū)ο缶幊掏幌耄敲幢仨殬?gòu)建自己的結(jié)構(gòu)，以期獲得與內(nèi)建到其他OOP語言里的同樣的便利究抓。需添加我們要用到的各種新類庫猾担，還要使用另一些不兼容的接口。理所當(dāng)然地刺下，這也需要付出額外的精力使新接口與自己的設(shè)計方案配合（可能還需要多重繼承）绑嘹。為得到C++額外的“靈活性”，付出這樣的代價值得嗎橘茉？當(dāng)然工腋，如果真的需要——如果早已是C專家，如果對C有難舍的情結(jié)——那么就真的很值得畅卓。但假如你是一名新手擅腰，首次接觸這類設(shè)計，象Java那樣的替換方案也許會更省事一些翁潘。

單根結(jié)構(gòu)中的所有對象（比如所有Java對象）都可以保證擁有一些特定的功能趁冈。在自己的系統(tǒng)中，我們知道對每個對象都能進(jìn)行一些基本操作拜马。一個單根結(jié)構(gòu)渗勘，加上所有對象都在內(nèi)存堆中創(chuàng)建矾飞，可以極大簡化參數(shù)的傳遞（這在C++里是一個復(fù)雜的概念）。
利用單根結(jié)構(gòu)呀邢，我們可以更方便地實現(xiàn)一個垃圾收集器。與此有關(guān)的必要支持可安裝于基礎(chǔ)類中豹绪，而垃圾收集器可將適當(dāng)?shù)南l(fā)給系統(tǒng)內(nèi)的任何對象价淌。如果沒有這種單根結(jié)構(gòu)，而且系統(tǒng)通過一個句柄來操縱對象瞒津，那么實現(xiàn)垃圾收集器的途徑會有很大的不同蝉衣，而且會面臨許多障礙。

由于運行期的類型信息肯定存在于所有對象中巷蚪，所以永遠(yuǎn)不會遇到判斷不出一個對象的類型的情況病毡。這對系統(tǒng)級的操作來說顯得特別重要，比如違例控制屁柏；而且也能在程序設(shè)計時獲得更大的靈活性啦膜。

但大家也可能產(chǎn)生疑問，既然你把好處說得這么天花亂墜淌喻，為什么C++沒有采用單根結(jié)構(gòu)呢僧家？事實上，這是早期在效率與控制上權(quán)衡的一種結(jié)果裸删。單根結(jié)構(gòu)會帶來程序設(shè)計上的一些限制八拱。而且更重要的是，它加大了新程序與原有C代碼兼容的難度涯塔。盡管這些限制僅在特定的場合會真的造成問題肌稻，但為了獲得最大的靈活程度，C++最終決定放棄采用單根結(jié)構(gòu)這一做法匕荸。而Java不存在上述的問題爹谭，它是全新設(shè)計的一種語言，不必與現(xiàn)有的語言保持所謂的“向后兼容”每聪。所以很自然地旦棉，與其他大多數(shù)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言一樣，單根結(jié)構(gòu)在Java的設(shè)計方案中很快就落實下來药薯。

1.7.3 集合庫與方便使用集合

由于集合是我們經(jīng)常都要用到的一種工具绑洛，所以一個集合庫是十分必要的，它應(yīng)該可以方便地重復(fù)使用童本。這樣一來真屯，我們就可以方便地取用各種集合，將其插入自己的程序穷娱。Java提供了這樣的一個庫绑蔫，盡管它在Java 1.0和1.1中都顯得非常有限（Java 1.2的集合庫則無疑是一個杰作）运沦。

1.下溯造型與模板／通用性

為了使這些集合能夠重復(fù)使用，或者“再生”配深，Java提供了一種通用類型携添，以前曾把它叫作“Object”。單根結(jié)構(gòu)意味著篓叶、所有東西歸根結(jié)底都是一個對象”烈掠！所以容納了Object的一個集合實際可以容納任何東西。這使我們對它的重復(fù)使用變得非常簡便缸托。
為使用這樣的一個集合左敌，只需添加指向它的對象句柄即可，以后可以通過句柄重新使用對象俐镐。但由于集合只能容納Object矫限，所以在我們向集合里添加對象句柄時，它會上溯造型成Object佩抹，這樣便丟失了它的身份或者標(biāo)識信息叼风。再次使用它的時候，會得到一個Object句柄棍苹，而非指向我們早先置入的那個類型的句柄咬扇。所以怎樣才能歸還它的本來面貌，調(diào)用早先置入集合的那個對象的有用接口呢廊勃？

在這里懈贺，我們再次用到了造型（Cast）。但這一次不是在分級結(jié)構(gòu)中上溯造型成一種更“通用”的類型坡垫。而是下溯造型成一種更“特殊”的類型梭灿。這種造型方法叫作“下溯造型”（Downcasting）。舉個例子來說冰悠，我們知道在上溯造型的時候堡妒，Circle（圓）屬于Shape（幾何形狀）的一種類型，所以上溯造型是安全的溉卓。但我們不知道一個Object到底是Circle還是Shape皮迟，所以很難保證下溯造型的安全進(jìn)行，除非確切地知道自己要操作的是什么桑寨。

但這也不是絕對危險的伏尼，因為假如下溯造型成錯誤的東西，會得到我們稱為“違例”（Exception）的一種運行期錯誤尉尾。我們稍后即會對此進(jìn)行解釋爆阶。但在從一個集合提取對象句柄時，必須用某種方式準(zhǔn)確地記住它們是什么，以保證下溯造型的正確進(jìn)行辨图。
下溯造型和運行期檢查都要求花額外的時間來運行程序班套，而且程序員必須付出額外的精力。既然如此故河，我們能不能創(chuàng)建一個“智能”集合吱韭，令其知道自己容納的類型呢？這樣做可消除下溯造型的必要以及潛在的錯誤鱼的。答案是肯定的杉女，我們可以采用“參數(shù)化類型”，它們是編譯器能自動定制的類鸳吸，可與特定的類型配合。例如速勇，通過使用一個參數(shù)化集合晌砾，編譯器可對那個集合進(jìn)行定制，使其只接受Shape烦磁，而且只提取Shape养匈。

參數(shù)化類型是C++一個重要的組成部分，這部分是C++沒有單根結(jié)構(gòu)的緣故都伪。在C++中呕乎，用于實現(xiàn)參數(shù)化類型的關(guān)鍵字是template（模板）。Java目前尚未提供參數(shù)化類型陨晶，因為由于使用的是單根結(jié)構(gòu)猬仁，所以使用它顯得有些笨拙。但這并不能保證以后的版本不會實現(xiàn)先誉，因為“generic”這個詞已被Java“保留到將來實現(xiàn)”（在Ada語言中湿刽，“generic”被用來實現(xiàn)它的模板）。Java采取的這種關(guān)鍵字保留機制其實經(jīng)常讓人摸不著頭腦褐耳，很難斷定以后會發(fā)生什么事情诈闺。

1.7.4 清除時的困境：由誰負(fù)責(zé)清除？

每個對象都要求資源才能“生存”铃芦，其中最令人注目的資源是內(nèi)存雅镊。如果不再需要使用一個對象，就必須將其清除刃滓，以便釋放這些資源仁烹，以便其他對象使用。如果要解決的是非常簡單的問題咧虎，如何清除對象這個問題并不顯得很突出：我們創(chuàng)建對象晃危，在需要的時候調(diào)用它，然后將其清除或者“破壞”。但在另一方面僚饭，我們平時遇到的問題往往要比這復(fù)雜得多震叮。
舉個例子來說，假設(shè)我們要設(shè)計一套系統(tǒng)鳍鸵，用它管理一個機場的空中交通（同樣的模型也可能適于管理一個倉庫的貨柜苇瓣、或者一套影帶出租系統(tǒng)、或者寵物店的寵物房偿乖。這初看似乎十分簡單：構(gòu)造一個集合用來容納飛機，然后創(chuàng)建一架新飛機贪薪，將其置入集合媳禁。對進(jìn)入空中交通管制區(qū)的所有飛機都如此處理。至于清除画切，在一架飛機離開這個區(qū)域的時候把它簡單地刪去即可竣稽。
但事情并沒有這么簡單，可能還需要另一套系統(tǒng)來記錄與飛機有關(guān)的數(shù)據(jù)霍弹。當(dāng)然毫别，和控制器的主要功能不同，這些數(shù)據(jù)的重要性可能一開始并不顯露出來典格。例如岛宦，這條記錄反映的可能是離開機場的所有小飛機的飛行計劃。所以我們得到了由小飛機組成的另一個集合耍缴。一旦創(chuàng)建了一個飛機對象砾肺，如果它是一架小飛機，那么也必須把它置入這個集合防嗡。然后在系統(tǒng)空閑時期债沮，需對這個集合中的對象進(jìn)行一些后臺處理。

問題現(xiàn)在顯得更復(fù)雜了：如何才能知道什么時間刪除對象呢本鸣？用完對象后疫衩，系統(tǒng)的其他某些部分可能仍然要發(fā)揮作用。同樣的問題也會在其他大量場合出現(xiàn)荣德，而且在程序設(shè)計系統(tǒng)中（如C++）闷煤，在用完一個對象之后必須明確地將其刪除，所以問題會變得異常復(fù)雜（注釋⑥）涮瞻。

⑥：注意這一點只對內(nèi)存堆里創(chuàng)建的對象成立（用new命令創(chuàng)建的）鲤拿。但在另一方面，對這兒描述的問題以及其他所有常見的編程問題來說署咽，都要求對象在內(nèi)存堆里創(chuàng)建近顷。

在Java中生音，垃圾收集器在設(shè)計時已考慮到了內(nèi)存的釋放問題（盡管這并不包括清除一個對象涉及到的其他方面）。垃圾收集器“知道”一個對象在什么時候不再使用窒升，然后會自動釋放那個對象占據(jù)的內(nèi)存空間缀遍。采用這種方式，另外加上所有對象都從單個根類Object繼承的事實饱须，而且由于我們只能在內(nèi)存堆中以一種方式創(chuàng)建對象域醇，所以Java的編程要比C++的編程簡單得多。我們只需要作出少量的抉擇蓉媳，即可克服原先存在的大量障礙譬挚。

2.垃圾收集器對效率及靈活性的影響

既然這是如此好的一種手段，為什么在C++里沒有得到充分的發(fā)揮呢酪呻？我們當(dāng)然要為這種編程的方便性付出一定的代價减宣，代價就是運行期的開銷。正如早先提到的那樣玩荠，在C++中漆腌，我們可在堆棧中創(chuàng)建對象。在這種情況下姨蟋，對象會得以自動清除（但不具有在運行期間隨心所欲創(chuàng)建對象的靈活性）。在堆棧中創(chuàng)建對象是為對象分配存儲空間最有效的一種方式立帖，也是釋放那些空間最有效的一種方式眼溶。在內(nèi)存堆（Heap）中創(chuàng)建對象可能要付出昂貴得多的代價。如果總是從同一個基礎(chǔ)類繼承晓勇，并使所有函數(shù)調(diào)用都具有“同質(zhì)多形”特征堂飞，那么也不可避免地需要付出一定的代價。但垃圾收集器是一種特殊的問題绑咱，因為我們永遠(yuǎn)不能確定它什么時候啟動或者要花多長的時間绰筛。這意味著在Java程序執(zhí)行期間，存在著一種不連貫的因素描融。所以在某些特殊的場合铝噩，我們必須避免用它——比如在一個程序的執(zhí)行必須保持穩(wěn)定、連貫的時候（通常把它們叫作“實時程序”窿克，盡管并不是所有實時編程問題都要這方面的要求——注釋⑦）骏庸。

⑦：根據(jù)本書一些技術(shù)性讀者的反饋，有一個現(xiàn)成的實時Java系統(tǒng)（www.newmonics.com）確實能夠保證垃圾收集器的效能年叮。

C++語言的設(shè)計者曾經(jīng)向C程序員發(fā)出請求（而且做得非常成功）具被，不要希望在可以使用C的任何地方，向語言里加入可能對C++的速度或使用造成影響的任何特性只损。這個目的達(dá)到了一姿，但代價就是C++的編程不可避免地復(fù)雜起來。Java比C++簡單，但付出的代價是效率以及一定程度的靈活性叮叹。但對大多數(shù)程序設(shè)計問題來說艾栋，Java無疑都應(yīng)是我們的首選。