java_object.rst

實例、實例變數與實例方法

Java 是一個物件導向程式語言。物件導向的基本觀念是讓程式可以描述、建構及處理真實世界中所看到的物件並設計它們之間的層次關係。例如：Exam 可以有 EnglishExam、ChineseExam 兩個副屬的種類。而一次 EnglishExam 又可以有任意數量的考生應考，其中每一份考卷中都可以有考生姓名與成績的資料。這時 Exam、EnglishExam 及 ChineseExam 便很適合設計成類別，而一份英文考試的考卷便可以用 EnglishExam這個類別所生成的實例（instance or object）來代表。

一個類別可以使用 new 指令來產生實例。一個 Java 的程式可以由許多個有層次關係的類別構成，這個層次關係描述這些類別間的繼承關係。這一類的例子在真實世界中不勝枚舉，舉例來說：如果「哺乳類」是一個類別，那麼「人類」則可以是「哺乳類」的一個「子類別」（subclass or subtype），相對的「哺乳類」也可以是「人類」的「父類別」（superclass or supertype）。而某一個人「張三」便是「人類」的一個「實例」。

以「張三」這個實例來說，他的身高、體重、性別等資料都可以存放在這個實例的「實例變數」中，而「張三」能「跑」能「跳」，則可以是它的「實例方法」。簡單的說：「類別（class）」可以用 new 來產生「實例（instance）」，而「實例」可以包含「實例變數」與「實例方法」。其中「實例變數」負責資料的儲存，而「實例方法」則負責資料的處理：

備註

Java 原文將「實例變數」稱為 non-static field；而將「實例方法」稱為 non-static method。為了中文的譯名一致，本書將以 instance variable 與 instance method 稱之。同樣的，本書亦將以 class method 代替原文的 static method，以 class variable 代替原文的 static variable。

何謂實例（Instance）

實例（instance）是由 new 所產生的某個類別的實作，也稱為物件（object）。一個 class 可以生成多個實例，而且每個實例都擁有一份自己的實例變數。以下圖為例：class A 宣告了三個實例變數 x，y 與 z，而每個實例都為這三個實例變數配置了記憶體以儲存他們的值。

「實例變數」及「實例方法」與用於設計結構化程式的「類別變數」及「類別方法」的主要差異是：

1. 類別變數或類別方法以 static 起始，他們在程式開始執行時即實質的存在，所以不需要產生實例，即可使用。
2. 實例變數或實例方法沒有 static 起始，他們一定要等到實例產生之後才有實質的存在，因此需要實例，才可以使用。

在後續的圖例中，我們將使用「淡的顏色」來表示「沒有記憶體、沒有實質存在的變數或方法」，並以「鮮明的顏色」來表示「有記憶體、有實質存在的變數或方法」以區別它們的差異：

以下是一個藉由呼叫實例方法將實例變數的值傳回並輸出的範例：

.. literalinclude:: src/main/java/PrintBookName.java
   :language: java

執行結果

Name of b1:Sun
Name of b2:Sun

觀看執行過程及詳細解說

Class Method 與 Instance Method 的差異

接下來的這個範例，說明了類別方法與實例方法的差異：

.. literalinclude:: src/main/java/ClassInstanceMethod.java
   :language: java

執行結果

=呼叫類別方法=
class method不需new就可使用
=呼叫實例方法=
instance method需new才可使用

觀看執行過程及詳細解說

Class Variable 與 Instance Variable 的差異

這個範例繼續說明了類別變數與實例變數之間的差異:

.. literalinclude:: src/main/java/ClassInstanceVariable.java
   :language: java

執行結果

    a of obj1:2
a of obj2:2
b of obj1:20
b of obj2:30

觀看執行過程及詳細解說

由於 a 是類別變數，只有一個儲存值，而這個值是共享的；b 則是實例變數，所以每個實例都有一個 b 的儲存值，而它們的值也可以不一樣。

類別變數、區域變數與實例變數的不同之處，透過它們在 Java 程式內的可見範圍（scope）與佔用記憶體的起始時間與釋放時間（extent）的不同，可以更明確的區分出來：

1. 類別變數：

   每一個 class 都有一個命名空間（name space），因此兩個 class 若有同名的變數、方法也不用擔心彼此衝突。這便好像將一個程式的記憶體劃分成好幾個區域，而每一個 class 都配屬了一個區域。隸屬於某一 class 的類別變數的有效時間是從程式開始執行，一直到程式結束：

   • extent：從程式開始執行，一直到程式結束；
   • scope：以 public、private、protect 宣告類別變數的可見範圍。

2. 區域變數：

   於方法執行時才存在，方法執行完畢後便消失。這種變數的值是存放在記憶體中稱為堆疊（stack）的一塊區域上。

   • extent：從方法執行時開始，到方法結束時為止。
   • scope：該變數所屬，由 { } 區隔的區塊（block）中。

3. 實例變數：

   實例變數是用來的儲存實例中資料的變數，實例（instance）的另一個名稱是物件（object）。例如在一個處理學生資料的程式中，某一學生的資料，可以存放在 name、id、score等幾個隸屬於這個物件的實例變數中。實例是存放在記憶體中稱為堆積堆（heap）的一塊區域上。

   • extent：從一個實例被造（new），直到它的記憶體被回收（garbage collect）時為止。
   • scope：以 public、private、protect 宣告實例變數的可見範圍。

實例方法中的 this 是什麼？

這個單元將會以數個範例，將一個類別方法，轉換成作用相同的實例方法， 以更深入的闡述在實例方法中常常用到的this這個保留字的意義。

在下面的範例中 ee 是一個用 new 生成的 EnglishExam 物件，這個物件的三個實例變數分別被設值成 3, 4, 5，然後傳入 englishScore 這個類別方法中：

.. literalinclude:: src/main/java/EnglishExamDemo.java
   :language: java

執行結果

The score of the exam is 12

englishScore 雖然是一個類別方方法，然而傳入這個方法的三個參數，實際上是 ee 的三個實例變數的值。那何必這麼麻煩？直接將 ee 傳入 englishScore 不是更簡潔嗎？

以下即是將上例改寫後的版本：

.. literalinclude:: src/main/java/EnglishExamDemo2.java
   :language: java

這個範例直接將 ee 傳入 score（原名是 englishScoer）中，而 score 仍然是一個類別方法。在這個例子中我們使用：

EnglishExam.score(ee);

來呼叫score這個方法。如果我們將以上的呼叫改寫成：

ee.score();

並將 score 這個類別方法，改寫成實例方法:

.. literalinclude:: src/main/java/EnglishExamDemo3.java
   :language: java

那麼執行的結果仍然是：

執行結果

The score of the exam is 12

由此可見，一個 instance method 其實有一個隱藏的參數。 以上例而言是 ee，而任何在 score 方法中所用到的變數， 如果不是區域變數或是類別變數，便會被當成是該隱藏性參數（ee）的實例變數。

如果我們需要支援 ChineseExam，那麼上面的程式可以進一步改寫如下：

.. literalinclude:: src/main/java/MoreExamDemo.java
   :language: java

前面所提到的隱藏參數，可以使用 this 這個保留字來抓到。因此，上例也可以改寫成：

.. literalinclude:: src/main/java/MoreExamDemo2.java
   :language: java

this 的值是當使用一個實例呼叫一個實例方法（例如：ee.score()）時所傳入的隱藏性參數，而這個隱藏性參數便是那個實例（即：ee）的地址。因此，如果你在一個實例方法內更改一個實例變數的值時，那個實例變數的值便永遠被更改。

Java 可以使用 this 也可以不使用 this 來存取實例的變數或方法。在後續的單元，我們為了說明的需要，有時會使用 this，有時不使用 this，來存取實例變數或呼叫實例方法。

實例方法也可以有其他參數，例如，以下便是將權重傳入並計算分數的例子：

.. literalinclude:: src/main/java/MoreExamDemo3.java
   :language: java

在前面的單元中我們曾經使用 int, double 等型態的變數，這種變數稱為 primitive type。而 ee 的型態則是 EnglishExam， 這種型態稱為 reference type。 一個 reference type 變數的初值是 null，代表沒有任何實例的地址被設成它的值。 Java 的字串屬於 String 類別，而字串也是 reference type 的一種。一個變數如果是 primitive type，則它的地址中所存放的是數值本身。如果一個變數是 reference type，則這個變數的地址內所存放的是一個指向一個實例的地址。這個被指向的實例是放在 Java 自動化記憶體管理區內，如果這個實例沒有被任何其他變數直接或間接的透過其他實例指到，那麼 Java 的 garbage collector 便會在執行記憶體回收動作時將該實例的記憶體自動回收。

由於 Java 是一個「傳值呼叫」（call-by-value）的程式語言，所以當一個方法被呼叫時，是變數的值被傳入方法中。由於存放在 reference type 變數中的值，實際上是地址，所以是地址被傳入被呼叫的方法內。因此便會發生在程式執行中，同時有數個變數指向同一個被 reference 的實例。而其中任何一個方法更改了那個實例的實例變數的值時，其他使用這個實例的方法也會看到被改變的新值。