這是一篇一年多之前便已寫(xiě)就的文章，那時(shí)，因?yàn)楹芏郕ava程序員只求追隨新生的事物，卻連基本的概念都沒(méi)有，很多討論中，很明顯是基本功不過(guò)硬，于是萌生寫(xiě)一個(gè)系列文章，討論Java的基本功，下面便是在這個(gè)想法下催生出的第一篇文章。可事實(shí)上，真正完成的也只有這一篇。因?yàn)槲茨芗皶r(shí)發(fā)布，它就被我遺忘在硬盤(pán)的角落中。今天，JavaEye上關(guān)于Java傳值還是傳引用的論戰(zhàn)讓我記起了自己曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)的這篇文章，愿與大家共享。
Java基本功——Reference
有這樣一種說(shuō)法，如今爭(zhēng)鋒于IT戰(zhàn)場(chǎng)的兩大勢(shì)力，MS一族偏重于底層實(shí)現(xiàn)，Java一族偏重于系統(tǒng)架構(gòu)。說(shuō)法根據(jù)無(wú)從考證，但從兩大勢(shì)力各自的社區(qū)力量和圖書(shū)市場(chǎng)已有佳作不難看出，此說(shuō)法不虛。于是，事情的另一面讓人忽略了。
偏巧，我是一個(gè)喜歡探究底層實(shí)現(xiàn)的Java程序員，雖然我的喜好并非純正咖啡，劍走偏鋒卻別是一番風(fēng)味。
Reference
Java世界泰山北斗級(jí)大作《Thinking In Java》切入Java就提出“Everything is Object”。在Java這個(gè)充滿Object的世界中，reference是一切謎題的根源，所有的故事都是從這里開(kāi)始的。
Reference是什么？
如果你和我一樣在進(jìn)入Java世界之前曾經(jīng)浪跡于C/C++世界，就一定不會(huì)對(duì)指針陌生。談到指針，往日種種不堪回首的經(jīng)歷一下子涌上心頭，這里不是抱怨的地方，讓我們暫時(shí)忘記指針的痛苦，回憶一下最初接觸指針的甜蜜吧！還記得你看過(guò)的教科書(shū)中，如何講解指針嗎？留在我印象中的一種說(shuō)法是，指針就是地址，如同門牌號(hào)碼一樣，有了地址，你可以輕而易舉找到一個(gè)人家，而不必費(fèi)盡心力的大海撈針。
C++登上歷史舞臺(tái)，reference也隨之而來(lái)，容我問(wèn)個(gè)小問(wèn)題，指針和reference區(qū)別何在？我的答案來(lái)自于在C++世界享譽(yù)盛名的《More Effective C++》。
- 沒(méi)有null reference。
- reference必須有初值。
- 使用reference要比使用指針效率高。因?yàn)閞eference不需要測(cè)試其有效性。
- 指針可以重新賦值，而reference總是指向它最初獲得的對(duì)象
設(shè)計(jì)選擇：
當(dāng)你指向你需要指向的某個(gè)東西，而且絕不會(huì)改指向其它東西，或是當(dāng)你實(shí)作一個(gè)運(yùn)算符而其語(yǔ)法需要無(wú)法有指針達(dá)成，你就應(yīng)該選擇reference。其它任何時(shí)候，請(qǐng)采用指針。
這和Java有什么關(guān)系？
初學(xué)Java，鑒于reference的名稱，我毫不猶豫的將它和C++中的reference等同起來(lái)。不過(guò)，我錯(cuò)了。在Java中，reference可以隨心所欲的賦值置空，對(duì)比一下上面列出的差異，就不難發(fā)現(xiàn)，Java的reference如果要與C/C++對(duì)應(yīng)，它不過(guò)是一個(gè)穿著reference外衣的指針而已。
于是，所有關(guān)于C中關(guān)于指針的理解方式，可以照搬到Java中，簡(jiǎn)而言之，reference就是一個(gè)地址。我們可以把它想象成一個(gè)把手，抓住它，就抓住了我們想要操縱的數(shù)據(jù)。如同掌握C的關(guān)鍵在于掌握指針，探索Java的鑰匙就是reference。
一段小程序
我知道，太多的文字總是令人犯困，那就來(lái)段代碼吧！
public class ReferenceTricks {
public static void main(String[] args) {
ReferenceTricks r = new ReferenceTricks();
// reset integer
r.i = 0;
System.out.println("Before changeInteger:" + r.i);
changeInteger(r);
System.out.println("After changeInteger:" + r.i);
// just for format
System.out.println();
// reset integer
r.i = 0;
System.out.println("Before changeReference:" + r.i);
changeReference(r);
System.out.println("After changeReference:" + r.i);
}
private static void changeReference(ReferenceTricks r) {
r = new ReferenceTricks();
r.i = 5;
System.out.println("In changeReference: " + r.i);
}
private static void changeInteger(ReferenceTricks r) {
r.i = 5;
System.out.println("In changeInteger:" + r.i);
}
public int i;
}
對(duì)不起，我知道，把一個(gè)字段設(shè)成public是一種不好的編碼習(xí)慣，這里只是為了說(shuō)明問(wèn)題。
如果你有興趣自己運(yùn)行一下這個(gè)程序，我等你！
OK，你已經(jīng)運(yùn)行過(guò)了嗎？結(jié)果如何？是否如你預(yù)期？下面是我在自己的機(jī)器上運(yùn)行的結(jié)果：
Before changeInteger:0
In changeInteger:5
After changeInteger:5
Before changeReference:0
In changeReference: 5
After changeReference:0
這里，我們關(guān)注的是兩個(gè)change——changeReference和changeInteger。從輸出的內(nèi)容中，我們可以看出，兩個(gè)方法在調(diào)用前和調(diào)用中完全一樣，差異出現(xiàn)在調(diào)用后的結(jié)果。
糊涂的講解
先讓我們來(lái)分析一下changeInteger的行為。
前面說(shuō)過(guò)了，Java中的reference就是一個(gè)地址，它指向了一個(gè)內(nèi)存空間，這個(gè)空間存放著一個(gè)對(duì)象的相關(guān)信息。這里我們暫時(shí)不去關(guān)心這個(gè)內(nèi)存具體如何排布，只要知道，通過(guò)地址，我們可以找到r這個(gè)對(duì)象的i字段，然后我們給它賦成5。既然這個(gè)字段的內(nèi)容得到了修改，從函數(shù)中返回之后，它自然就是改動(dòng)后的結(jié)果了，所以調(diào)用之后，r對(duì)象的i字段依然是5。下圖展示了changeInteger調(diào)用前后內(nèi)存變化。
Reference +--------+ Reference +--------+
---------->| i = 0 | ---------->| i = 5 |
|--------| |--------|
| Memory | | Memory |
| | | |
| | | |
+--------+ +--------+
調(diào)用changeInteger之前 調(diào)用changeInteger之后
讓我們把目光轉(zhuǎn)向changeReference。
從代碼上，我們可以看出，同changeInteger之間的差別僅僅在于多了這么一句。
r = new ReferenceTricks();
這條語(yǔ)句的作用是分配一塊新的內(nèi)存，然后將r指向它。
執(zhí)行完這條語(yǔ)句，r就不再是原來(lái)的r，但它依然是一個(gè)ReferenceTricks的對(duì)象，所以我們依然可以對(duì)這個(gè)r的i字段賦值。到此為止，一切都是那么自然。
Reference +--------+ +--------+
---------->| i = 0 | | i = 0 |
|--------| |--------|
| Memory | | Memory |
| | Reference |--------|
| | ---------->| i = 5 |
+--------+ +--------+
調(diào)用changeReference之前 調(diào)用changeReference之后
順著這個(gè)思路繼續(xù)下去的話，執(zhí)行完changeReference，輸出的r的i字段，那么應(yīng)該是應(yīng)該是新內(nèi)存中的i，所以應(yīng)該是5。至于那塊被我們拋棄的內(nèi)存，Java的GC功能自然會(huì)替我們善后的。
事與愿違。
實(shí)際的結(jié)果我們已經(jīng)看到了，輸出的是0。
肯定哪個(gè)地方錯(cuò)了，究竟是哪個(gè)地方呢？
參數(shù)傳遞的秘密
知道方法參數(shù)如何傳遞嗎？
記得剛開(kāi)始學(xué)編程那會(huì)兒，老師教導(dǎo)，所謂參數(shù)，有形式參數(shù)和實(shí)際參數(shù)之分，參數(shù)列表中寫(xiě)的那些東西都叫形式參數(shù)，在實(shí)際調(diào)用的時(shí)候，它們會(huì)被實(shí)際參數(shù)所替代。
編譯程序不可能知道每次調(diào)用的實(shí)際參數(shù)都是什么，于是寫(xiě)編譯器的高手就出個(gè)辦法，讓實(shí)際參數(shù)按照一定順序放到一個(gè)大家都可以找得到的地方，以此作為方法調(diào)用的一種約定。所謂“沒(méi)有規(guī)矩，不成方圓”，有了這個(gè)規(guī)矩，大家協(xié)作起來(lái)就容易多了。這個(gè)公共數(shù)據(jù)區(qū)，現(xiàn)在編譯器的選擇通常是“棧”，而所謂的順序就是形式參數(shù)聲明的順序。
顯然，程序運(yùn)行的過(guò)程中，作為實(shí)際參數(shù)的變量可能遍布于內(nèi)存的各個(gè)位置，而并不一定要老老實(shí)實(shí)的呆在棧里。為了守“規(guī)矩”，程序只好將變量復(fù)制一份到棧中，也就是通常所說(shuō)的將參數(shù)壓入棧中。
打起精神，謎底就要揭曉了。
我剛才說(shuō)什么來(lái)著？將變量復(fù)制一份到棧中，沒(méi)錯(cuò)，“復(fù)制”！
這就是所謂的值傳遞。
C語(yǔ)言的曠世經(jīng)典《The C Programming Language》開(kāi)篇的第一章中，談到實(shí)際參數(shù)時(shí)說(shuō)，“在C中，所有函數(shù)的實(shí)際參數(shù)都是傳‘值'的”。
馬上會(huì)有人站出來(lái)，“錯(cuò)了，還有傳地址，比如以指針傳遞就是傳地址”。
不錯(cuò)，傳指針就是傳地址。在把指針視為地址的時(shí)候，是否考慮過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題，它也是一個(gè)變量。前面的討論中說(shuō)過(guò)了，參數(shù)傳遞必須要把參數(shù)壓入棧中，作為地址的指針也不例外。所以，必須把這個(gè)指針也復(fù)制一份。函數(shù)中對(duì)于指針操作實(shí)際上是對(duì)于這個(gè)指針副本的操作。
Java的reference等于C的指針。所以，在Java的方法調(diào)用中，reference也要復(fù)制一份壓入堆棧。在方法中對(duì)reference的操作就是對(duì)這個(gè)reference副本的操作。
謎底揭曉
好，讓我們回到最初的問(wèn)題上。
在changeReference中對(duì)于reference的賦值實(shí)際上是對(duì)這個(gè)reference的副本進(jìn)行賦值，而對(duì)于reference的本尊沒(méi)有產(chǎn)生絲毫的影響。
回到調(diào)用點(diǎn)，本尊醒來(lái)，它并不知道自己睡去的這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生過(guò)什么，所以只好當(dāng)作什么都沒(méi)發(fā)生過(guò)一般。就這樣，副本消失了，在方法中對(duì)它的修改也就煙消云散了。
也許你會(huì)問(wèn)出這樣的問(wèn)題，“聽(tīng)了你的解釋，我反而對(duì)changeInteger感到迷惑了，既然是對(duì)于副本的操作，為什么changeInteger可以運(yùn)作正常？”
呵呵，很有趣的大腦短路現(xiàn)象。
好，那我就用前面的說(shuō)法解釋一下changeInteger的運(yùn)作。
所謂復(fù)制，其結(jié)果必然是副本完全等同于本尊。reference復(fù)制的結(jié)果必然是兩個(gè)reference指向同一塊內(nèi)存空間。
雖然在方法中對(duì)于副本的操作并不會(huì)影響到本尊，但對(duì)內(nèi)存空間的修改確實(shí)實(shí)實(shí)在在的。
回到調(diào)用點(diǎn)，雖然本尊依然不知道曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的一切，但它按照原來(lái)的方式訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)候，取到的確是經(jīng)過(guò)方法修改之后的內(nèi)容。
于是方法可以把自己的影響擴(kuò)展到方法之外。
多說(shuō)幾句
這個(gè)問(wèn)題起源于我對(duì)C/C++中同樣問(wèn)題的思考。同C/C++相比，在changeReference中對(duì)reference賦值可能并不會(huì)造成什么很嚴(yán)重的后果，而在C/C++中，這么做卻會(huì)造成臭名昭著的“內(nèi)存泄漏”，根本的原因在于Java擁有了可愛(ài)的GC功能。即便這樣，我仍不推薦使用這種的手法，畢竟GC已經(jīng)很忙了，我們?cè)趺春靡馑荚俾闊┤思摇?br />在C/C++中，這個(gè)問(wèn)題還可以繼續(xù)引申。既然在函數(shù)中對(duì)于指針直接賦值行不通，那么如何在函數(shù)中修改指針呢？答案很簡(jiǎn)單，指針的指針，也就是把原來(lái)的指針看作一個(gè)普通的數(shù)據(jù)，把一個(gè)指向它的指針傳到函數(shù)中就可以了。
同樣的問(wèn)題到了Java中就沒(méi)有那么美妙的解決方案了，因?yàn)镴ava中可沒(méi)有reference的reference這樣的語(yǔ)法。可能的變通就是將reference進(jìn)行封裝成類。至于值不值，公道自在人心。