Классы и объекты в Java

Оглавление:

• Базовая терминология и концепции ООП
• Ассоциации: агрегация и композиция
• Базовые элементы декларации класса
• Инстанцирование
• Запуск методов
• Статические члены класса

Базовая терминология и концепции ООП

Классы обозначают категории объектов, и используются как чертежи, по которым строятся объекты. Класс моделирует абстракцию путем определения свойств и поведения для объектов представляющих эту абстракцию. Объект проявляет те свойства и поведение, которые определены для него классом. 

Свойства объекта класса также называют атрибутами. Атрибуты определяются с помощью полей в Java. Поле класса - это переменная, которое хранит значение представляющее свойство объекта. 

Поведение объекта класса также называют операциями. Операции определяются с помощью методов Java.

Поля и методы в объявлении класса называются общим словом - члены.

Класс предоставляет своим объектам контракт и имплементацию. Контракт определяет какие сервисы предоставляются классом. Имплементация определяет каким образом эти сервисы предоставляются. Клиентам (т.е. другим объектам) чтобы воспользоваться сервисами объекта нужно знать только контракт объекта, а не его имплементацию.

Объявление метода с таким же именем как у класса называется конструктором. Конструктор выполняется при создании объекта из класса.

Процесс создания объектов из классов называется инстанцированием. Объект - это экземпляр класса. Объект - это конкретный экземпляр той абстракции, которую представляет собой класс.

При создании объекта возвращается ссылочное значение (reference value). Ссылочное значение отсылает к объекту. Переменная метит место в памяти, куда может быть сохранено значение. Ссылка на объект (object reference) это переменная, которая хранит ссылочное значение. В Java объектами можно манипулировать только посредством их ссылочных значений или, что то же самое, посредством ссылок, которые содержат ссылочные значения.

Несколько ссылок могут ссылаться на один и тот же объект, т.е. они хранят ссылочное значение одного и того же объекта. Такие ссылки называются псевдонимами. Объектом можно управлять через любой из его псевдонимов.

Когда на объект больше нет ссылок, то его память при необходимости забирается и перераспределяется для других объектов. Этот процесс называется автоматическая сборка мусора. В Java эту заботу берет на себя среда исполнения.

Каждый созданный объект имеет свою копию полей определенных в классе. Поля объекта называются переменными экземпляра (instance variables). Значения переменных экземпляра конституциируют состояние объекта (state). Два разных объекта могут иметь одно и то же состояние, если их переменные экземпляра имеют одни и те же значения. Методы объекта определяющие его поведение называются методами экземпляра (instance methods). Эти методы принадлежат каждому объекту класса. Имплементация этих методов находится в общем использовании у всех объектов класса. Переменные и методы экземпляра, которые принадлежат объектам называются общим термином члены экземпляра (instance members).

В некоторых случаях члены должны принадлежать только классу, т.е. они не должны быть частью ни одного из экземпляров класса. Члены, которые принадлежат только классу называются статическими членами (static members). Поля объявленные с ключевым словом static называются статическими переменными (static variable). Статическая переменная инициализируется при загрузке класса в среду исполнения. Также существуют статические методы (static methods), которые принадлежат скорее к классу, чем к объектам этого класса.

Объекты взаимодействуют друг с другом через передачу сообщений. В Java это делается вызовом метода у объекта посредством бинарного оператора точки. Вызов метода содержит: получателя сообщения, метод для запуска, аргументы метода. Метод запускаемый у получателя может вернуть информацию отправителю посредством одиночного возвращаемого значения. Вызываемый метод должен быть определен для объекта, иначе будет ошибка компиляции.

Dot (.) нотация может использоваться вместе с ссылкой для доступа к полям объекта. При использовании dot нотации учитывается доступность (accessibility) члена. Члены в классе имеющие уровень доступности private не доступны извне класса.

Краткое резюме по терминологии членов класса:

• Члены экземпляра: переменные и методы экземпляра. Они могут быть доступны или запущены только через ссылку на объект.
• Переменная экземпляра - это поле аллоцированное при инстанцировании класса (т.е. при создании экземпляра класса). Также называется non-static полем или просто полем, когда контекст очевиден.
• Метод экземпляра. Объекты одного класса разделяют между собой имплементацию методов принадлежащих к экземпляру класса.
• Статические члены: статические переменные и методы класса. Они могут быть доступны и запущены посредством имени класса или ссылки на объект.
• Статическая переменная - это поле аллоцированное при загрузке класса. Оно принадлежит классу и не принадлежит ни одному из объектов класса. Также называется статическим полем или переменной класса.
• Статический метод - принадлежит классу и не принадлежит ни одному из объектов класса. Также называется методом класса.

Ассоциации: агрегация и композиция

Ассоциация (association) определяет статическое отношение между объектами двух классов. 

Одна из таких ассоциаций называется агрегацией (aggregation), она выражает как объект использует другие объекты. Java поддерживает агрегацию объектов по ссылке, т.к. объекты не могут явно содержать другие объекты. Агрегированный объект обычно содержит поля, которые отсылают к составляющим его объектам. Один и тот же объект может входить в состав множества агрегированных объектов. Например, объект класса Airplane может иметь поле отсылающее к объекту класса Pilot. Этот объект класса Pilot может быть использован и с другими объектами (необязательно класса Airplane). В действительности объект класса Pilot всё еще может использовать даже после прекращения существования объекта класса Airplane. 

Ассоциация агрегации может быть сильнее, если составляющие объекты не могут быть использованы с другими агрегированными объектами. Например, объект Airplane может быть использован с двумя объектами Wing. Одни и те же крылья не могут быть использованы на нескольких самолетах. Объект Airplane является владельцем (ownership) своих объектов Wing. С обратной стороны объекты Wing являются частью объекта Airplane. Эта сильная агрегация называется композицией.

Базовые элементы декларации класса

// File: CharStack.java
public class CharStack {
  // Instance variables:
  private char[] stackArray;     // The array implementing the stack.
  private int    topOfStack;     // The top of the stack.

  // Static variable
  private static int counter;                                      

  // Constructor now increments the counter for each object created.
  public CharStack(int capacity) {   
    stackArray = new char[capacity];
    topOfStack = -1;
    counter++;
  }

  // Instance methods:
  public void push(char element) { stackArray[++topOfStack] = element; }
  public char pop() { return stackArray[topOfStack--]; }
  public char peek() { return stackArray[topOfStack]; }
  public boolean isEmpty() { return topOfStack == -1; }
  public boolean isFull() { return topOfStack == stackArray.length - 1; }

  // Static method
  public static int getInstanceCount() { return counter; }
}

Классификация членов класса CharStack:

Члены класса

Каждый объект данного класса имеет поле для хранения ссылочного значения на массив символьных объектов. Стек единолично владеет массивом своих символов. Отношение между объектом стека и входящим в его состав массивом символов является композицией.

Инстанцирование

CharStack stack1 = new CharStack(10);
CharStack stack2 = new CharStack(5); // Stack length: 5 chars

stack1 это ссылка класса CharStack, поэтому она может ссылаться на объекты класса CharStack. Новый объект создается посредством оператора new и вызова конструктора класса. Оператор new создает новый экземпляр класса и возвращает ссылочное значение это экземпляра. Оператор присваивания = сохраняет ссылочное значение в переменной stack1. Через переменную stack1 можно манипулировать объектом ссылочное значение которого хранит переменная stack1.

Каждый созданный объект имеет свою копию полей определенных в классе объекта. Два объекта стека, на которые ссылаются stack1 и stack2, будут иметь собственные поля stackArray и topOfStack.

Запуск методов

CharStack stack = new CharStack(5); // Create a stack
stack.push(‘J’); // Character ‘J’ pushed

// One character popped and returned: ‘J’
char c = stack.pop();

// Compile-time error: No such method in CharStack
stack.printStackElements();

Статические члены класса

Клиент может получать доступ к статическим членам класса используя имя класса.

// Class name to invoke static method
int count = CharStack.getInstanceCount();

Также статические члены могут быть доступны из ссылок на объекты, но это считается плохим стилем.

CharStack myStack = new CharStack(20);

// Reference invokes static method
int count = myStack.getInstanceCount();

Для сравнения, члены экземпляра могут быть доступны только по ссылкам на объекты.