final关键字(thinking in java)

final关键字
由于语境（应用环境）不同，final关键字的含义可能会稍微产生一些差异。但它最一般的意思就是声明“这个东西不能改变”。之所以要禁止改变，可能是考虑到两方面的因素：设计或效率。由于这两个原因颇有些区别，所以也许会造成final关键字的误用。
在接下去的小节里，我们将讨论final关键字的三种应用场合：数据、方法以及类。

6.8.1 final数据
许多程序设计语言都有自己的办法告诉编译器某个数据是“常数”。常数主要应用于下述两个方面：
(1) 编译期常数，它永远不会改变
(2) 在运行期初始化的一个值，我们不希望它发生变化
对于编译期的常数，编译器（程序）可将常数值“封装”到需要的计算过程里。也就是说，计算可在编译期间提前执行，从而节省运行时的一些开销。在Java中，这些形式的常数必须属于基本数据类型（Primitives），而且要用final关键字进行表达。在对这样的一个常数进行定义的时候，必须给出一个值。
无论static还是final字段，都只能存储一个数据，而且不得改变。
若随同对象句柄使用final，而不是基本数据类型，它的含义就稍微让人有点儿迷糊了。对于基本数据类型，final会将值变成一个常数；但对于对象句柄，final会将句柄变成一个常数。进行声明时，必须将句柄初始化到一个具体的对象。而且永远不能将句柄变成指向另一个对象。然而，对象本身是可以修改的。Java对此未提供任何手段，可将一个对象直接变成一个常数（但是，我们可自己编写一个类，使其中的对象具有“常数”效果）。这一限制也适用于数组，它也属于对象。
下面是演示final字段用法的一个例子：

//: FinalData.java
// The effect of final on fields

class Value {
  int i = 1;
}

public class FinalData {
  // Can be compile-time constants
  final int i1 = 9;
  static final int I2 = 99;
  // Typical public constant:
  public static final int I3 = 39;
  // Cannot be compile-time constants:
  final int i4 = (int)(Math.random()*20);
  static final int i5 = (int)(Math.random()*20);
  
  Value v1 = new Value();
  final Value v2 = new Value();
  static final Value v3 = new Value();
  //! final Value v4; // Pre-Java 1.1 Error: 
                      // no initializer
  // Arrays:
  final int[] a = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };

  public void print(String id) {
    System.out.println(
      id + ": " + "i4 = " + i4 + 
      ", i5 = " + i5);
  }
  public static void main(String[] args) {
    FinalData fd1 = new FinalData();
    //! fd1.i1++; // Error: can't change value
    fd1.v2.i++; // Object isn't constant!
    fd1.v1 = new Value(); // OK -- not final
    for(int i = 0; i < fd1.a.length; i++)
      fd1.a[i]++; // Object isn't constant!
    //! fd1.v2 = new Value(); // Error: Can't 
    //! fd1.v3 = new Value(); // change handle
    //! fd1.a = new int[3];

    fd1.print("fd1");
    System.out.println("Creating new FinalData");
    FinalData fd2 = new FinalData();
    fd1.print("fd1");
    fd2.print("fd2");
  }
} ///:~

由于i1和I2都是具有final属性的基本数据类型，并含有编译期的值，所以它们除了能作为编译期的常数使用外，在任何导入方式中也不会出现任何不同。I3是我们体验此类常数定义时更典型的一种方式：public表示它们可在包外使用；Static强调它们只有一个；而final表明它是一个常数。注意对于含有固定初始化值（即编译期常数）的fianl static基本数据类型，它们的名字根据规则要全部采用大写。也要注意i5在编译期间是未知的，所以它没有大写。
不能由于某样东西的属性是final，就认定它的值能在编译时期知道。i4和i5向大家证明了这一点。它们在运行期间使用随机生成的数字。例子的这一部分也向大家揭示出将final值设为static和非static之间的差异。只有当值在运行期间初始化的前提下，这种差异才会揭示出来。因为编译期间的值被编译器认为是相同的。这种差异可从输出结果中看出：

fd1: i4 = 15, i5 = 9
Creating new FinalData
fd1: i4 = 15, i5 = 9
fd2: i4 = 10, i5 = 9

注意对于fd1和fd2来说，i4的值是唯一的，但i5的值不会由于创建了另一个FinalData对象而发生改变。那是因为它的属性是static，而且在载入时初始化，而非每创建一个对象时初始化。
从v1到v4的变量向我们揭示出final句柄的含义。正如大家在main()中看到的那样，并不能认为由于v2属于final，所以就不能再改变它的值。然而，我们确实不能再将v2绑定到一个新对象，因为它的属性是final。这便是final对于一个句柄的确切含义。我们会发现同样的含义亦适用于数组，后者只不过是另一种类型的句柄而已。将句柄变成final看起来似乎不如将基本数据类型变成final那么有用。

2. 空白final
Java 1.1允许我们创建“空白final”，它们属于一些特殊的字段。尽管被声明成final，但却未得到一个初始值。无论在哪种情况下，空白final都必须在实际使用前得到正确的初始化。而且编译器会主动保证这一规定得以贯彻。然而，对于final关键字的各种应用，空白final具有最大的灵活性。举个例子来说，位于类内部的一个final字段现在对每个对象都可以有所不同，同时依然保持其“不变”的本质。下面列出一个例子：

//: BlankFinal.java
// "Blank" final data members

class Poppet { }

class BlankFinal {
  final int i = 0; // Initialized final
  final int j; // Blank final
  final Poppet p; // Blank final handle
  // Blank finals MUST be initialized
  // in the constructor:
  BlankFinal() {
    j = 1; // Initialize blank final
    p = new Poppet();
  }
  BlankFinal(int x) {
    j = x; // Initialize blank final
    p = new Poppet();
  }
  public static void main(String[] args) {
    BlankFinal bf = new BlankFinal();
  }
} ///:~

现在强行要求我们对final进行赋值处理——要么在定义字段时使用一个表达 式，要么在每个构建器中。这样就可以确保final字段在使用前获得正确的初始化。

3. final自变量
Java 1.1允许我们将自变量设成final属性，方法是在自变量列表中对它们进行适当的声明。这意味着在一个方法的内部，我们不能改变自变量句柄指向的东西。如下所示：

//: FinalArguments.java
// Using "final" with method arguments

class Gizmo {
  public void spin() {}
}

public class FinalArguments {
  void with(final Gizmo g) {
    //! g = new Gizmo(); // Illegal -- g is final
    g.spin();
  }
  void without(Gizmo g) {
    g = new Gizmo(); // OK -- g not final
    g.spin();
  }
  // void f(final int i) { i++; } // Can't change
  // You can only read from a final primitive:
  int g(final int i) { return i + 1; }
  public static void main(String[] args) {
    FinalArguments bf = new FinalArguments();
    bf.without(null);
    bf.with(null);
  }
} ///:~

注意此时仍然能为final自变量分配一个null（空）句柄，同时编译器不会捕获它。这与我们对非final自变量采取的操作是一样的。
方法f()和g()向我们展示出基本类型的自变量为final时会发生什么情况：我们只能读取自变量，不可改变它。

6.8.2 final方法
之所以要使用final方法，可能是出于对两方面理由的考虑。第一个是为方法“上锁”，防止任何继承类改变它的本来含义。设计程序时，若希望一个方法的行为在继承期间保持不变，而且不可被覆盖或改写，就可以采取这种做法。
采用final方法的第二个理由是程序执行的效率。将一个方法设成final后，编译器就可以把对那个方法的所有调用都置入“嵌入”调用里。只要编译器发现一个final方法调用，就会（根据它自己的判断）忽略为执行方法调用机制而采取的常规代码插入方法（将自变量压入堆栈；跳至方法代码并执行它；跳回来；清除堆栈自变量；最后对返回值进行处理）。相反，它会用方法主体内实际代码的一个副本来替换方法调用。这样做可避免方法调用时的系统开销。当然，若方法体积太大，那么程序也会变得雍肿，可能受到到不到嵌入代码所带来的任何性能提升。因为任何提升都被花在方法内部的时间抵消了。Java编译器能自动侦测这些情况，并颇为“明智”地决定是否嵌入一个final方法。然而，最好还是不要完全相信编译器能正确地作出所有判断。通常，只有在方法的代码量非常少，或者想明确禁止方法被覆盖的时候，才应考虑将一个方法设为final。
类内所有private方法都自动成为final。由于我们不能访问一个private方法，所以它绝对不会被其他方法覆盖（若强行这样做，编译器会给出错误提示）。可为一个private方法添加final指示符，但却不能为那个方法提供任何额外的含义。

6.8.3 final类
如果说整个类都是final（在它的定义前冠以final关键字），就表明自己不希望从这个类继承，或者不允许其他任何人采取这种操作。换言之，出于这样或那样的原因，我们的类肯定不需要进行任何改变；或者出于安全方面的理由，我们不希望进行子类化（子类处理）。
除此以外，我们或许还考虑到执行效率的问题，并想确保涉及这个类各对象的所有行动都要尽可能地有效。如下所示：

//: Jurassic.java
// Making an entire class final

class SmallBrain {}

final class Dinosaur {
  int i = 7;
  int j = 1;
  SmallBrain x = new SmallBrain();
  void f() {}
}

//! class Further extends Dinosaur {}
// error: Cannot extend final class 'Dinosaur'

public class Jurassic {
  public static void main(String[] args) {
    Dinosaur n = new Dinosaur();
    n.f();
    n.i = 40;
    n.j++;
  }
} ///:~

注意数据成员既可以是final，也可以不是，取决于我们具体选择。应用于final的规则同样适用于数据成员，无论类是否被定义成final。将类定义成final后，结果只是禁止进行继承——没有更多的限制。然而，由于它禁止了继承，所以一个final类中的所有方法都默认为final。因为此时再也无法覆盖它们。所以与我们将一个方法明确声明为final一样，编译器此时有相同的效率选择。
可为final类内的一个方法添加final指示符，但这样做没有任何意义。

6.8.4 final的注意事项
设计一个类时，往往需要考虑是否将一个方法设为final。可能会觉得使用自己的类时执行效率非常重要，没有人想覆盖自己的方法。这种想法在某些时候是正确的。
但要慎重作出自己的假定。通常，我们很难预测一个类以后会以什么样的形式再生或重复利用。常规用途的类尤其如此。若将一个方法定义成final，就可能杜绝了在其他程序员的项目中对自己的类进行继承的途径，因为我们根本没有想到它会象那样使用。
标准Java库是阐述这一观点的最好例子。其中特别常用的一个类是Vector。如果我们考虑代码的执行效率，就会发现只有不把任何方法设为final，才能使其发挥更大的作用。我们很容易就会想到自己应继承和覆盖如此有用的一个类，但它的设计者却否定了我们的想法。但我们至少可以用两个理由来反驳他们。首先，Stack（堆栈）是从Vector继承来的，亦即Stack“是”一个Vector，这种说法是不确切的。其次，对于Vector许多重要的方法，如addElement()以及elementAt()等，它们都变成了synchronized（同步的）。正如在第14章要讲到的那样，这会造成显著的性能开销，可能会把final提供的性能改善抵销得一干二净。因此，程序员不得不猜测到底应该在哪里进行优化。在标准库里居然采用了如此笨拙的设计，真不敢想象会在程序员里引发什么样的情绪。
另一个值得注意的是Hashtable（散列表），它是另一个重要的标准类。该类没有采用任何final方法。正如我们在本书其他地方提到的那样，显然一些类的设计人员与其他设计人员有着全然不同的素质（注意比较Hashtable极短的方法名与Vecor的方法名）。对类库的用户来说，这显然是不应该如此轻易就能看出的。一个产品的设计变得不一致后，会加大用户的工作量。这也从另一个侧面强调了代码设计与检查时需要很强的责任心。

6.9 初始化和类装载
在许多传统语言里，程序都是作为启动过程的一部分一次性载入的。随后进行的是初始化，再是正式执行程序。在这些语言中，必须对初始化过程进行慎重的控制，保证static数据的初始化不会带来麻烦。比如在一个static数据获得初始化之前，就有另一个static数据希望它是一个有效值，那么在C++中就会造成问题。
Java则没有这样的问题，因为它采用了不同的装载方法。由于Java中的一切东西都是对象，所以许多活动变得更加简单，这个问题便是其中的一例。正如下一章会讲到的那样，每个对象的代码都存在于独立的文件中。除非真的需要代码，否则那个文件是不会载入的。通常，我们可认为除非那个类的一个对象构造完毕，否则代码不会真的载入。由于static方法存在一些细微的歧义，所以也能认为“类代码在首次使用的时候载入”。
首次使用的地方也是static初始化发生的地方。装载的时候，所有static对象和static代码块都会按照本来的顺序初始化（亦即它们在类定义代码里写入的顺序）。当然，static数据只会初始化一次。

6.9.1 继承初始化
我们有必要对整个初始化过程有所认识，其中包括继承，对这个过程中发生的事情有一个整体性的概念。请观察下述代码：

//: Beetle.java
// The full process of initialization.

class Insect {
  int i = 9;
  int j;
  Insect() {
    prt("i = " + i + ", j = " + j);
    j = 39;
  }
  static int x1 = 
    prt("static Insect.x1 initialized");
  static int prt(String s) {
    System.out.println(s);
    return 47;
  }
}

public class Beetle extends Insect {
  int k = prt("Beetle.k initialized");
  Beetle() {
    prt("k = " + k);
    prt("j = " + j);
  }
  static int x2 =
    prt("static Beetle.x2 initialized");
  static int prt(String s) {
    System.out.println(s);
    return 63;
  }
  public static void main(String[] args) {
    prt("Beetle constructor");
    Beetle b = new Beetle();
  }
} ///:~

该程序的输出如下：

static Insect.x initialized
static Beetle.x initialized
Beetle constructor
i = 9, j = 0
Beetle.k initialized
k = 63
j = 39

对Beetle运行Java时，发生的第一件事情是装载程序到外面找到那个类。在装载过程中，装载程序注意它有一个基础类（即extends关键字要表达的意思），所以随之将其载入。无论是否准备生成那个基础类的一个对象，这个过程都会发生（请试着将对象的创建代码当作注释标注出来，自己去证实）。
若基础类含有另一个基础类，则另一个基础类随即也会载入，以此类推。接下来，会在根基础类（此时是Insect）执行static初始化，再在下一个衍生类执行，以此类推。保证这个顺序是非常关键的，因为衍生类的初始化可能要依赖于对基础类成员的正确初始化。
此时，必要的类已全部装载完毕，所以能够创建对象。首先，这个对象中的所有基本数据类型都会设成它们的默认值，而将对象句柄设为null。随后会调用基础类构建器。在这种情况下，调用是自动进行的。但也完全可以用super来自行指定构建器调用（就象在Beetle()构建器中的第一个操作一样）。基础类的构建采用与衍生类构建器完全相同的处理过程。基础顺构建器完成以后，实例变量会按本来的顺序得以初始化。最后，执行构建器剩余的主体部分。