Java基本功——Reference

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这是一篇一年多之前便已写就的文章，那时，因为很多Java程序员只求追随新生的事物，却连基本的概念都没有，很多讨论中，很明显是基本功不过硬，于是萌生写一个系列文章，讨论Java的基本功，下面便是在这个想法下催生出的第一篇文章。可事实上，真正完成的也只有这一篇。因为未能及时发布，它就被我遗忘在硬盘的角落中。今天，JavaEye上关于Java传值还是传引用的论战让我记起了自己曾经写过的这篇文章，愿与大家共享。

Java基本功——Reference

有这样一种说法，如今争锋于IT战场的两大势力，MS一族偏重于底层实现，Java一族偏重于系统架构。说法根据无从考证，但从两大势力各自的社区力量和图书市场已有佳作不难看出，此说法不虚。于是，事情的另一面让人忽略了。
偏巧，我是一个喜欢探究底层实现的Java程序员，虽然我的喜好并非纯正咖啡，剑走偏锋却别是一番风味。

Reference
Java世界泰山北斗级大作《Thinking In Java》切入Java就提出“Everything is Object”。在Java这个充满Object的世界中，reference是一切谜题的根源，所有的故事都是从这里开始的。

Reference是什么？
如果你和我一样在进入Java世界之前曾经浪迹于C/C++世界，就一定不会对指针陌生。谈到指针，往日种种不堪回首的经历一下子涌上心头，这里不是抱怨的地方，让我们暂时忘记指针的痛苦，回忆一下最初接触指针的甜蜜吧！还记得你看过的教科书中，如何讲解指针吗？留在我印象中的一种说法是，指针就是地址，如同门牌号码一样，有了地址，你可以轻而易举找到一个人家，而不必费尽心力的大海捞针。
C++登上历史舞台，reference也随之而来，容我问个小问题，指针和reference区别何在？我的答案来自于在C++世界享誉盛名的《More Effective C++》。
没有null reference。
reference必须有初值。
使用reference要比使用指针效率高。因为reference不需要测试其有效性。
指针可以重新赋值，而reference总是指向它最初获得的对象

设计选择：
当你指向你需要指向的某个东西，而且绝不会改指向其它东西，或是当你实作一个运算符而其语法需要无法有指针达成，你就应该选择reference。其它任何时候，请采用指针。

这和Java有什么关系？
初学Java，鉴于reference的名称，我毫不犹豫的将它和C++中的reference等同起来。不过，我错了。在Java中，reference可以随心所欲的赋值置空，对比一下上面列出的差异，就不难发现，Java的reference如果要与C/C++对应，它不过是一个穿着reference外衣的指针而已。
于是，所有关于C中关于指针的理解方式，可以照搬到Java中，简而言之，reference就是一个地址。我们可以把它想象成一个把手，抓住它，就抓住了我们想要操纵的数据。如同掌握C的关键在于掌握指针，探索Java的钥匙就是reference。

一段小程序
我知道，太多的文字总是令人犯困，那就来段代码吧！
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;
}

对不起，我知道，把一个字段设成public是一种不好的编码习惯，这里只是为了说明问题。
如果你有兴趣自己运行一下这个程序，我等你！

OK，你已经运行过了吗？结果如何？是否如你预期？下面是我在自己的机器上运行的结果：
Before changeInteger:0
In changeInteger:5
After changeInteger:5

Before changeReference:0
In changeReference: 5
After changeReference:0
这里，我们关注的是两个change——changeReference和changeInteger。从输出的内容中，我们可以看出，两个方法在调用前和调用中完全一样，差异出现在调用后的结果。

糊涂的讲解
先让我们来分析一下changeInteger的行为。
前面说过了，Java中的reference就是一个地址，它指向了一个内存空间，这个空间存放着一个对象的相关信息。这里我们暂时不去关心这个内存具体如何排布，只要知道，通过地址，我们可以找到r这个对象的i字段，然后我们给它赋成5。既然这个字段的内容得到了修改，从函数中返回之后，它自然就是改动后的结果了，所以调用之后，r对象的i字段依然是5。下图展示了changeInteger调用前后内存变化。

Reference +--------+ Reference +--------+
---------->| i = 0 | ---------->| i = 5 |
|--------| |--------|
| Memory | | Memory |
| | | |
| | | |
+--------+ +--------+

调用changeInteger之前 调用changeInteger之后

让我们把目光转向changeReference。
从代码上，我们可以看出，同changeInteger之间的差别仅仅在于多了这么一句。
r = new ReferenceTricks();
这条语句的作用是分配一块新的内存，然后将r指向它。
执行完这条语句，r就不再是原来的r，但它依然是一个ReferenceTricks的对象，所以我们依然可以对这个r的i字段赋值。到此为止，一切都是那么自然。

Reference +--------+ +--------+
---------->| i = 0 | | i = 0 |
|--------| |--------|
| Memory | | Memory |
| | Reference |--------|
| | ---------->| i = 5 |
+--------+ +--------+

调用changeReference之前 调用changeReference之后

顺着这个思路继续下去的话，执行完changeReference，输出的r的i字段，那么应该是应该是新内存中的i，所以应该是5。至于那块被我们抛弃的内存，Java的GC功能自然会替我们善后的。
事与愿违。
实际的结果我们已经看到了，输出的是0。
肯定哪个地方错了，究竟是哪个地方呢？

参数传递的秘密
知道方法参数如何传递吗？
记得刚开始学编程那会儿，老师教导，所谓参数，有形式参数和实际参数之分，参数列表中写的那些东西都叫形式参数，在实际调用的时候，它们会被实际参数所替代。
编译程序不可能知道每次调用的实际参数都是什么，于是写编译器的高手就出个办法，让实际参数按照一定顺序放到一个大家都可以找得到的地方，以此作为方法调用的一种约定。所谓“没有规矩，不成方圆”，有了这个规矩，大家协作起来就容易多了。这个公共数据区，现在编译器的选择通常是“栈”，而所谓的顺序就是形式参数声明的顺序。
显然，程序运行的过程中，作为实际参数的变量可能遍布于内存的各个位置，而并不一定要老老实实的呆在栈里。为了守“规矩”，程序只好将变量复制一份到栈中，也就是通常所说的将参数压入栈中。
打起精神，谜底就要揭晓了。
我刚才说什么来着？将变量复制一份到栈中，没错，“复制”！
这就是所谓的值传递。
C语言的旷世经典《The C Programming Language》开篇的第一章中，谈到实际参数时说，“在C中，所有函数的实际参数都是传‘值’的”。
马上会有人站出来，“错了，还有传地址，比如以指针传递就是传地址”。
不错，传指针就是传地址。在把指针视为地址的时候，是否考虑过这样一个问题，它也是一个变量。前面的讨论中说过了，参数传递必须要把参数压入栈中，作为地址的指针也不例外。所以，必须把这个指针也复制一份。函数中对于指针操作实际上是对于这个指针副本的操作。
Java的reference等于C的指针。所以，在Java的方法调用中，reference也要复制一份压入堆栈。在方法中对reference的操作就是对这个reference副本的操作。
谜底揭晓
好，让我们回到最初的问题上。
在changeReference中对于reference的赋值实际上是对这个reference的副本进行赋值，而对于reference的本尊没有产生丝毫的影响。
回到调用点，本尊醒来，它并不知道自己睡去的这段时间内发生过什么，所以只好当作什么都没发生过一般。就这样，副本消失了，在方法中对它的修改也就烟消云散了。

也许你会问出这样的问题，“听了你的解释，我反而对changeInteger感到迷惑了，既然是对于副本的操作，为什么changeInteger可以运作正常？”
呵呵，很有趣的大脑短路现象。
好，那我就用前面的说法解释一下changeInteger的运作。
所谓复制，其结果必然是副本完全等同于本尊。reference复制的结果必然是两个reference指向同一块内存空间。
虽然在方法中对于副本的操作并不会影响到本尊，但对内存空间的修改确实实实在在的。
回到调用点，虽然本尊依然不知道曾经发生过的一切，但它按照原来的方式访问内存的时候，取到的确是经过方法修改之后的内容。
于是方法可以把自己的影响扩展到方法之外。

多说几句
这个问题起源于我对C/C++中同样问题的思考。同C/C++相比，在changeReference中对reference赋值可能并不会造成什么很严重的后果，而在C/C++中，这么做却会造成臭名昭著的“内存泄漏”，根本的原因在于Java拥有了可爱的GC功能。即便这样，我仍不推荐使用这种的手法，毕竟GC已经很忙了，我们怎么好意思再麻烦人家。
在C/C++中，这个问题还可以继续引申。既然在函数中对于指针直接赋值行不通，那么如何在函数中修改指针呢？答案很简单，指针的指针，也就是把原来的指针看作一个普通的数据，把一个指向它的指针传到函数中就可以了。
同样的问题到了Java中就没有那么美妙的解决方案了，因为Java中可没有reference的reference这样的语法。可能的变通就是将reference进行封装成类。至于值不值，公道自在人心。

参考文献
1 《Thinking in Java》
2 《More Effective C++》
3 《The C Programming Language》