Thinking in Java(1-1) 深入理解 Java 中的物件與參考

在 Java 的世界裡，一切都是物件（Object）。理解物件與參考（Reference）的運作方式，是掌握 Java 程式設計的基石。本文將帶你深入探討 Java 中的物件操作、記憶體分配、基本類型（Primitive Types）、包裝器（Wrapper Classes）、陣列（Arrays）以及作用域（Scope）的相關概念。

使用 Reference 操作 Object

一切皆物件 (Everything is an Object)

在 Java 中，所有事物都被視為物件。然而，聲明一個變數時，實際上建立的只是對物件的參考（reference），而非物件本身。例如：

String s;

這行程式碼僅僅是建立了一個 String 類型的參考 s，但尚未指向任何實際的 String 物件。如果此時向 s 發送消息（例如調用方法），將會導致執行時錯誤（Runtime Error）。

安全的初始化方式

為了避免這類錯誤，建議在建立參考的同時進行初始化：

String s = "asdf";

這樣，s 不僅是一個參考，還指向了一個實際的 String 物件。

必須由你建立所有 Object

一旦建立了參考，你通常希望它與某個物件相關聯。這通常是通過使用 new 關鍵字來實現的。new 的意思是「給我一個新的物件」。例如：

String s = new String("asdf");

這行程式碼明確地在堆（Heap）中建立了一個新的 String 物件，並將其參考賦值給 s。

物件的儲存位置

Java 程式在運行時，會將物件存放在記憶體的不同區域。了解這些區域有助於編寫高效的程式碼。

寄存器（Register）

寄存器是最靠近 CPU 的記憶體儲存區，存取速度最快。然而，寄存器的數量極為有限，且無法直接控制。C/C++ 語言允許開發者向編譯器建議寄存器的分配方式，但在 Java 中，這並不適用。

堆疊（Stack）

堆疊位於通用 RAM 中，透過堆疊指標（Stack Pointer）的上下移動來分配和釋放內存。堆疊的存取速度僅次於寄存器，且具有高效的記憶體管理方式。然而，Java 系統必須知道堆疊中所有項目的確切生命週期，這限制了程式的靈活性。堆疊中通常存放參考，但實際的物件並不會放在這裡。

堆（Heap）

堆也是位於 RAM 的通用內存池，用來存放所有 Java 物件。相比堆疊，堆具有更大的彈性，因為編譯器不需要知道數據的存活時間。使用 new 關鍵字可以自動在堆中分配內存。然而，這種彈性也帶來了代價：堆的分配和清理比堆疊更耗時。

常量儲存

常量通常存放在程式碼區塊（Code Segment）內部。由於程式碼區塊不會被修改，這種做法保護了常量的不變性。

非 RAM 儲存

非 RAM 儲存指的是在進程控制之外的資料，例如流（Stream）、檔案（File）等。

物件中的特例：基本類型（Primitive Types）

在程式設計中，經常使用一系列小而簡單的類型，我們將它們稱為基本類型（Primitive Types）。這些類型不需要使用 new 來建立物件，因為這樣做效率不高。Java 與 C++ 採用相同的方法，直接在堆疊中建立 非參考 的自動變數，直接儲存值，因而更加高效。

基本類型一覽

Java 的每種基本類型在不同硬體架構下的大小都是固定的。以下是 Java 中所有基本類型的詳細資訊：

• 所有類型都有正負號：Java 中沒有無符號（unsigned）類型。
• boolean 佔用的空間沒有明確指定，僅定義為能夠取字面值 true 或 false。

包裝器（Wrapper Classes）

每種基本類型都有對應的包裝器類型，用於在堆中建立一個非基本類型的物件。這對於需要物件形式的情境（如集合框架）非常有用。

char c = 'x';
Character ch = new Character(c);
Character ch = new Character('x');

// Java SE5 自動包裝功能會自動將 primitive 轉換為包裝器類型
Character ch = 'x';
// 反向轉換
char c = ch;

Java SE5 引入了自動包裝（Autoboxing）和自動拆箱（Unboxing），使得基本類型和包裝器類型之間的轉換更加便捷。

高精度數字

Java 提供了兩個高精度計算用的類別：

• BigInteger：支援任意長度的整數而不會丟失資料。
• BigDecimal：支援任意長度的浮點數，可以進行精確的貨幣計算。

這兩個類別雖然在功能上類似於包裝器類型，但沒有對應的基本類型。它們的方法需要通過函數調用來使用，這使得運算速度相對較慢，但提供了更高的精度。

Java 中的陣列（Array）

在 Java 中，陣列是一種特殊的物件，具有以下特性：

• 初始化保證：Java 會確保陣列在創建時被初始化。
• 範圍檢查：不能在範圍之外訪問陣列元素，否則會拋出 ArrayIndexOutOfBoundsException。
• 引用的創建：當創建一個陣列時，實際上是創建了一個指向陣列的參考。

例如：

int[] numbers = new int[5];

這行程式碼創建了一個包含 5 個整數的陣列，並將其參考賦值給 numbers。

Java 的作用域（Scope）

Java 與 C/C++ 的作用域差異

在 C/C++ 中，作用域是由大括號的位置決定的。例如：

{
  int x = 12;
  // Only x available
  {
    int q = 96;
    // Both x and q available
  }
  // Only x available
  // q is "out of scope"
}

然而，在 Java 中，內層作用域中不能重複定義外層作用域中的變數：

{
  int x = 12;
  {
    int x = 96; // Illegal: 重複定義
  }
}

這種設計避免了變數名衝突，提高了程式碼的可讀性和維護性。

物件的作用域

Java 中的物件不具備和基本類型一樣的生命週期。當使用 new 建立物件時，該物件可以存活於其作用域之外。例如：

{
  String s = new String("a string");
  // End of scope
}
// reference s 已經消失，但 String 物件仍存在於記憶體中

當參考 s 超出作用域後，s 指向的 String 物件仍會保留在記憶體中，直到垃圾回收器（Garbage Collector，GC）將其回收。Java 的垃圾回收機制能自動監視並回收不再被引用的物件，避免了程式人員需要手動管理記憶體，從而消除了因忘記釋放記憶體而導致的內存洩漏問題。

總結

理解 Java 中物件與參考的運作方式、記憶體的分配區域、基本類型與包裝器類型的區別、以及作用域的管理，對於編寫高效、穩定的 Java 程式至關重要。通過掌握這些核心概念，你將能更自信地在 Java 的世界中駕馭各種挑戰。

希望這篇文章能夠幫助你更深入地理解 Java 的基礎概念，並在你的程式設計旅程中提供有價值的參考。