第5章 隐藏实施过程
“进行面向对象的设计时,一项基本的考虑是:如何将发生变化的东西与保持不变的东西分隔开。”
这一点对于库来说是特别重要的。那个库的用户(客户程序员)必须能依赖自己使用的那一部分,并知道一旦新版本的库出台,自己不需要改写代码。而与此相反,库的创建者必须能自由地进行修改与改进,同时保证客户程序员代码不会受到那些变动的影响。
为达到这个目的,需遵守一定的约定或规则。例如,库程序员在修改库内的一个类时,必须保证不删除已有的方法,因为那样做会造成客户程序员代码出现断点。然而,相反的情况却是令人痛苦的。对于一个数据成员,库的创建者怎样才能知道哪些数据成员已受到客户程序员的访问呢?若方法属于某个类唯一的一部分,而且并不一定由客户程序员直接使用,那么这种痛苦的情况同样是真实的。如果库的创建者想删除一种旧有的实施方案,并置入新代码,此时又该怎么办呢?对那些成员进行的任何改动都可能中断客户程序员的代码。所以库创建者处在一个尴尬的境地,似乎根本动弹不得。
为解决这个问题,Java推出了“访问指示符”的概念,允许库创建者声明哪些东西是客户程序员可以使用的,哪些是不可使用的。这种访问控制的级别在“最大访问”和“最小访问”的范围之间,分别包括:public,“友好的”(无关键字),protected以及private。根据前一段的描述,大家或许已总结出作为一名库设计者,应将所有东西都尽可能保持为“private”(私有),并只展示出那些想让客户程序员使用的方法。这种思路是完全正确的,尽管它有点儿违背那些用其他语言(特别是C)编程的人的直觉,那些人习惯于在没有任何限制的情况下访问所有东西。到这一章结束时,大家应该可以深刻体会到Java访问控制的价值。
然而,组件库以及控制谁能访问那个库的组件的概念现在仍不是完整的。仍存在这样一个问题:如何将组件绑定到单独一个统一的库单元里。这是通过Java的package(打包)关键字来实现的,而且访问指示符要受到类在相同的包还是在不同的包里的影响。所以在本章的开头,大家首先要学习库组件如何置入包里。这样才能理解访问指示符的完整含义。
5.1 包:库单元
我们用import关键字导入一个完整的库时,就会获得“包”(Package)。例如:
import java.util.*;
它的作用是导入完整的实用工具(Utility)库,该库属于标准Java开发工具包的一部分。由于Vector位于java.util里,所以现在要么指定完整名称“java.util.Vector”(可省略import语句),要么简单地指定一个“Vector”(因为import是默认的)。
若想导入单独一个类,可在import语句里指定那个类的名字:
import java.util.Vector;
现在,我们可以自由地使用Vector。然而,java.util中的其他任何类仍是不可使用的。
之所以要进行这样的导入,是为了提供一种特殊的机制,以便管理“命名空间”(Name
Space)。我们所有类成员的名字相互间都会隔离起来。位于类A内的一个方法f()不会与位于类B内的、拥有相同“签名”(自变量列表)的f()发生冲突。但类名会不会冲突呢?假设创建一个stack类,将它安装到已有一个stack类(由其他人编写)的机器上,这时会出现什么情况呢?对于因特网中的Java应用,这种情况会在用户毫不知晓的时候发生,因为类会在运行一个Java程序的时候自动下载。
正是由于存在名字潜在的冲突,所以特别有必要对Java中的命名空间进行完整的控制,而且需要创建一个完全独一无二的名字,无论因特网存在什么样的限制。
迄今为止,本书的大多数例子都仅存在于单个文件中,而且设计成局部(本地)使用,没有同包名发生冲突(在这种情况下,类名置于“默认包”内)。这是一种有效的做法,而且考虑到问题的简化,本书剩下的部分也将尽可能地采用它。然而,若计划创建一个“对因特网友好”或者说“适合在因特网使用”的程序,必须考虑如何防止类名的重复。
为Java创建一个源码文件的时候,它通常叫作一个“编辑单元”(有时也叫作“翻译单元”)。每个编译单元都必须有一个以.java结尾的名字。而且在编译单元的内部,可以有一个公共(public)类,它必须拥有与文件相同的名字(包括大小写形式,但排除.java文件扩展名)。如果不这样做,编译器就会报告出错。每个编译单元内都只能有一个public类(同样地,否则编译器会报告出错)。那个编译单元剩下的类(如果有的话)可在那个包外面的世界面前隐藏起来,因为它们并非“公共”的(非public),而且它们由用于主public类的“支撑”类组成。
编译一个.java文件时,我们会获得一个名字完全相同的输出文件;但对于.java文件中的每个类,它们都有一个.class扩展名。因此,我们最终从少量的.java文件里有可能获得数量众多的.class文件。如以前用一种汇编语言写过程序,那么可能已习惯编译器先分割出一种过渡形式(通常是一个.obj文件),再用一个链接器将其与其他东西封装到一起(生成一个可执行文件),或者与一个库封装到一起(生成一个库)。但那并不是Java的工作方式。一个有效的程序就是一系列.class文件,它们可以封装和压缩到一个JAR文件里(使用Java
1.1提供的jar工具)。Java解释器负责对这些文件的寻找、装载和解释(注释①)。
①:Java并没有强制一定要使用解释器。一些固有代码的Java编译器可生成单独的可执行文件。
“库”也由一系列类文件构成。每个文件都有一个public类(并没强迫使用一个public类,但这种情况最很典型的),所以每个文件都有一个组件。如果想将所有这些组件(它们在各自独立的.java和.class文件里)都归纳到一起,那么package关键字就可以发挥作用)。
若在一个文件的开头使用下述代码:
package mypackage;
那么package语句必须作为文件的第一个非注释语句出现。该语句的作用是指出这个编译单元属于名为mypackage的一个库的一部分。或者换句话说,它表明这个编译单元内的public类名位于mypackage这个名字的下面。如果其他人想使用这个名字,要么指出完整的名字,要么与mypackage联合使用import关键字(使用前面给出的选项)。注意根据Java包(封装)的约定,名字内的所有字母都应小写,甚至那些中间单词亦要如此。
例如,假定文件名是MyClass.java。它意味着在那个文件有一个、而且只能有一个public类。而且那个类的名字必须是MyClass(包括大小写形式):
package mypackage;
public class MyClass {
// . . .
现在,如果有人想使用MyClass,或者想使用mypackage内的其他任何public类,他们必须用import关键字激活mypackage内的名字,使它们能够使用。另一个办法则是指定完整的名称:
mypackage.MyClass m = new mypackage.MyClass();
import关键字则可将其变得简洁得多:
import mypackage.*;
// . . .
MyClass m = new MyClass();
作为一名库设计者,一定要记住package和import关键字允许我们做的事情就是分割单个全局命名空间,保证我们不会遇到名字的冲突——无论有多少人使用因特网,也无论多少人用Java编写自己的类。
5.1.1 创建独一无二的包名
大家或许已注意到这样一个事实:由于一个包永远不会真的“封装”到单独一个文件里面,它可由多个.class文件构成,所以局面可能稍微有些混乱。为避免这个问题,最合理的一种做法就是将某个特定包使用的所有.class文件都置入单个目录里。也就是说,我们要利用操作系统的分级文件结构避免出现混乱局面。这正是Java所采取的方法。
它同时也解决了另两个问题:创建独一无二的包名以及找出那些可能深藏于目录结构某处的类。正如我们在第2章讲述的那样,为达到这个目的,需要将.class文件的位置路径编码到package的名字里。但根据约定,编译器强迫package名的第一部分是类创建者的因特网域名。由于因特网域名肯定是独一无二的(由InterNIC保证——注释②,它控制着域名的分配),所以假如按这一约定行事,package的名称就肯定不会重复,所以永远不会遇到名称冲突的问题。换句话说,除非将自己的域名转让给其他人,而且对方也按照相同的路径名编写Java代码,否则名字的冲突是永远不会出现的。当然,如果你没有自己的域名,那么必须创造一个非常生僻的包名(例如自己的英文姓名),以便尽最大可能创建一个独一无二的包名。如决定发行自己的Java代码,那么强烈推荐去申请自己的域名,它所需的费用是非常低廉的。
②:ftp://ftp.internic.net
这个技巧的另一部分是将package名解析成自己机器上的一个目录。这样一来,Java程序运行并需要装载.class文件的时候(这是动态进行的,在程序需要创建属于那个类的一个对象,或者首次访问那个类的一个static成员时),它就可以找到.class文件驻留的那个目录。
Java解释器的工作程序如下:首先,它找到环境变量CLASSPATH(将Java或者具有Java解释能力的工具——如浏览器——安装到机器中时,通过操作系统进行设定)。CLASSPATH包含了一个或多个目录,它们作为一种特殊的“根”使用,从这里展开对.class文件的搜索。从那个根开始,解释器会寻找包名,并将每个点号(句点)替换成一个斜杠,从而生成从CLASSPATH根开始的一个路径名(所以package
foo.bar.baz会变成foo\bar\baz或者foo/bar/baz;具体是正斜杠还是反斜杠由操作系统决定)。随后将它们连接到一起,成为CLASSPATH内的各个条目(入口)。以后搜索.class文件时,就可从这些地方开始查找与准备创建的类名对应的名字。此外,它也会搜索一些标准目录——这些目录与Java解释器驻留的地方有关。
为进一步理解这个问题,下面以我自己的域名为例,它是bruceeckel.com。将其反转过来后,com.bruceeckel就为我的类创建了独一无二的全局名称(com,edu,org,net等扩展名以前在Java包中都是大写的,但自Java
1.2以来,这种情况已发生了变化。现在整个包名都是小写的)。由于决定创建一个名为util的库,我可以进一步地分割它,所以最后得到的包名如下:
package com.bruceeckel.util;
现在,可将这个包名作为下述两个文件的“命名空间”使用:
//: Vector.java // Creating a package package com.bruceeckel.util; public class Vector { public Vector() { System.out.println( "com.bruceeckel.util.Vector"); } } ///:~
//: List.java // Creating a package package com.bruceeckel.util; public class List { public List() { System.out.println( "com.bruceeckel.util.List"); } } ///:~
//: LibTest.java // Uses the library package c05; import com.bruceeckel.util.*; public class LibTest { public static void main(String[] args) { Vector v = new Vector(); List l = new List(); } } ///:~
//: P.java // The P.rint & P.rintln shorthand package com.bruceeckel.tools; public class P { public static void rint(Object obj) { System.out.print(obj); } public static void rint(String s) { System.out.print(s); } public static void rint(char[] s) { System.out.print(s); } public static void rint(char c) { System.out.print(c); } public static void rint(int i) { System.out.print(i); } public static void rint(long l) { System.out.print(l); } public static void rint(float f) { System.out.print(f); } public static void rint(double d) { System.out.print(d); } public static void rint(boolean b) { System.out.print(b); } public static void rintln() { System.out.println(); } public static void rintln(Object obj) { System.out.println(obj); } public static void rintln(String s) { System.out.println(s); } public static void rintln(char[] s) { System.out.println(s); } public static void rintln(char c) { System.out.println(c); } public static void rintln(int i) { System.out.println(i); } public static void rintln(long l) { System.out.println(l); } public static void rintln(float f) { System.out.println(f); } public static void rintln(double d) { System.out.println(d); } public static void rintln(boolean b) { System.out.println(b); } } ///:~
//: Assert.java // Assertion tool for debugging package com.bruceeckel.tools.debug; public class Assert { private static void perr(String msg) { System.err.println(msg); } public final static void is_true(boolean exp) { if(!exp) perr("Assertion failed"); } public final static void is_false(boolean exp){ if(exp) perr("Assertion failed"); } public final static void is_true(boolean exp, String msg) { if(!exp) perr("Assertion failed: " + msg); } public final static void is_false(boolean exp, String msg) { if(exp) perr("Assertion failed: " + msg); } } ///:~
//: Assert.java // Turning off the assertion output // so you can ship the program. package com.bruceeckel.tools; public class Assert { public final static void is_true(boolean exp){} public final static void is_false(boolean exp){} public final static void is_true(boolean exp, String msg) {} public final static void is_false(boolean exp, String msg) {} } ///:~
//: TestAssert.java // Demonstrating the assertion tool package c05; // Comment the following, and uncomment the // subsequent line to change assertion behavior: import com.bruceeckel.tools.debug.*; // import com.bruceeckel.tools.*; public class TestAssert { public static void main(String[] args) { Assert.is_true((2 + 2) == 5); Assert.is_false((1 + 1) == 2); Assert.is_true((2 + 2) == 5, "2 + 2 == 5"); Assert.is_false((1 + 1) == 2, "1 +1 != 2"); } } ///:~
//: Cookie.java // Creates a library package c05.dessert; public class Cookie { public Cookie() { System.out.println("Cookie constructor"); } void foo() { System.out.println("foo"); } } ///:~
//: Dinner.java // Uses the library import c05.dessert.*; public class Dinner { public Dinner() { System.out.println("Dinner constructor"); } public static void main(String[] args) { Cookie x = new Cookie(); //! x.foo(); // Can't access } } ///:~
//: Cake.java // Accesses a class in a separate // compilation unit. class Cake { public static void main(String[] args) { Pie x = new Pie(); x.f(); } } ///:~
//: Pie.java // The other class class Pie { void f() { System.out.println("Pie.f()"); } } ///:~
//: IceCream.java // Demonstrates "private" keyword class Sundae { private Sundae() {} static Sundae makeASundae() { return new Sundae(); } } public class IceCream { public static void main(String[] args) { //! Sundae x = new Sundae(); Sundae x = Sundae.makeASundae(); } } ///:~
//: ChocolateChip.java // Can't access friendly member // in another class import c05.dessert.*; public class ChocolateChip extends Cookie { public ChocolateChip() { System.out.println( "ChocolateChip constructor"); } public static void main(String[] args) { ChocolateChip x = new ChocolateChip(); //! x.foo(); // Can't access foo } } ///:~
public class Cookie { public Cookie() { System.out.println("Cookie constructor"); } protected void foo() { System.out.println("foo"); } }
public class X { public void pub1( ) { /* . . . */ } public void pub2( ) { /* . . . */ } public void pub3( ) { /* . . . */ } private void priv1( ) { /* . . . */ } private void priv2( ) { /* . . . */ } private void priv3( ) { /* . . . */ } private int i; // . . . }
//: Lunch.java // Demonstrates class access specifiers. // Make a class effectively private // with private constructors: class Soup { private Soup() {} // (1) Allow creation via static method: public static Soup makeSoup() { return new Soup(); } // (2) Create a static object and // return a reference upon request. // (The "Singleton" pattern): private static Soup ps1 = new Soup(); public static Soup access() { return ps1; } public void f() {} } class Sandwich { // Uses Lunch void f() { new Lunch(); } } // Only one public class allowed per file: public class Lunch { void test() { // Can't do this! Private constructor: //! Soup priv1 = new Soup(); Soup priv2 = Soup.makeSoup(); Sandwich f1 = new Sandwich(); Soup.access().f(); } } ///:~