搞懂變數、物件、參考。（Re: new 語法的疑問）

[brianhsu (墳墓)]

※ 引述《SuperNeo (潛水初號機)》之銘言：

:                                ∣________∣  new
:                   (指標?)c1--> ∣_Circle_∣---------
:                          ↑    ∣________∣        ∣
:                          ∣    ∣________∣        ∣
:                          ∣                        ↓
:                          ∣                   Circle的物件
:                          ∣                     ________
:                          ∣                    |        |
:                           ---------------------|        |
:                        把Circle物件指向c1 (=?) |________|
:         我理解是這個樣子 不知是不是了-_-"

雖然你想畫圖，但我覺得你的觀念好像有嚴重的錯誤。囧。

下面是非常低階的碎碎念，講的是現在市面上一般的程式書籍愈來愈少提到的
部份，至於看不看得完，看完後有沒有用，就要看造化了。XD

我只能說，自從我建立了以下的 Mental Model 後，基本上學任何 OO 或
程序導向語言都沒遇到過什麼困難（學 functional programming 的時候倒
是問題一堆），所以有用沒用就要看個人了。

看完一整個討論串，我先說結論吧：

1. 個人認為你需要的是一本入門的程式設計書籍，一整個討論串下來感覺你
   很多基本觀念都沒有就想一步登天搞到進階的觀念。

2.老實說，我還是覺得把基礎功練好一點比較實在。orz...
  什麼是基礎功？

  * 小人電腦 / Native Binary / VM / Bytecode / Memory Model 間的關聯
  * Pointer （真正可以給你胡亂操作的指標，C 是最好的範例，但也最讓人害怕）
  * 如果你想學任何 OO 語言，先搞懂類別和物件的關聯吧

  雖然就算講到嘴破了，還是有很多人覺得不懂第一點和第二點的那一大堆東
  西無傷大雅，一樣可以寫程式。但我還是堅持這是基礎中的基礎，搞懂了學
  什麼語言都不會有大問題。

回到正題，先不論多型的部份（你的程式碼裡 Shape a = new Circle 的那一
部份），單看下面這隻完整的 Java 程式好了。

===== ClassExample.java =====
 1 public class ClassExample
 2 {
 3    int x = 3;
 4
 5    public static void main (String [] args)
 6    {
 7        int stackVar = 10;
 8
 9        ClassExample ex = new ClassExample ();
10        System.println ("ex.x = " + ex.x);
11
12        return;
13    }
14 }
============================

我知道，接下來講的東西對很多初學者來說很瑣碎，但我認為從一開始就建立
正確並且一致的 Mental Model 會讓以後的學習順利的很多，很多進階的觀念
也比較容易吸收。

這隻程式在做什麼？『建立一個 ClassExample 物件，並且把這個物件裡面的
x 成員函數印出』，好簡單的一句話，好複雜的程式。

首先，你要了解一個程式可以大致區分成兩個部份：CODE 與 DATA，CODE  指
的是程式的『指令』，也就是大致相當於你寫出來的程式碼，告知電腦每一步
該如何做。

這個部份是永恆不變的，不管你執行幾次，只要你沒更動過你的程式碼，就永
永不會變。

DATA  是你程式裡放在『記憶體』裡的『資料』的部份，是會隨著環境和你程
式執行的過程中而更動的，例如程式裡的『變數』、『物件』都是屬於 DATA
的部份。

舉例來說 x = 10 這個敘述，『把 x 指定成 10』的動作是『CODE』，而 x 就
是 DATA，而這個 DATA 是放在記憶體中的。

『記憶體』，關鍵字出來了，所有『變數』、『物件』都是放在記憶體中的。

但『記憶體』並沒那麼簡單，『記憶體』又可以分成兩部份，一個是 stack，另
一個是 Heap ，請簡單記住以下幾個觀念：

 1. Java  裡所有的區域變數、函數的所傳入的參數都放在 Stack。
 2. Stack 的生命週期只有從『進入函式』到『離開函式』這段期間。
 3. 所有物件都在 Heap

以上是關於 Stack 和 Heap 的原則，至於到底什麼是 Stack 和 Heap，請 Google
一下唄，了解這兩者是很有幫助的。

接下來，要了解的是關於『變數』這回事，Java 裡你會在函式裡看到三種型態的
變數宣告，分別如下：

 1 void func ()
 2 {
 3    int x = 10;      // Type 1
 4    Object object;   // Type 2
 6    int [] array;    // Type 3
 7    Object [] array2 // Type 4
 8
 9    object = new Object ();
11    array  = new int[2]
11    array2 = new Object[2]
12 }

第一種（第三行的部份），資料型態小寫開頭的，那叫『基礎資料型態』，包括
內建的 int/double 這種東西，遇到這種的請記住這個口訣：『Stack 上長了一
塊叫做 x 的東西，他的內容是整數十（或浮點數 3.14 等）』。

第二種（第四行的部份），資料型態是大寫開頭的，也就是 Class 的部份，注
意，這是陷阱，請謹記這個口訣：『Stack 上長了一個叫做 object  的東西，
他的內容是「記憶體地址」，而且這個地址應該指到 Heap  裡面一個類別為
Object 的物件。』

第三種是第二種的特例，因為實際上 Java 的陣列也是物件，所以請記得以下的
口訣：『Stack 上長了一個叫做 array 的東西，他的內容是記憶體地址，而且這個
地址應該指到 Heap 裡面一個陣列物件，而這個陣列裡面的每個原素應該要是 int。』

第四種又是第三種的特例，不同的地方在於陣列裡每個原素存的也是『記憶體地
址』，口訣：『Stack 上長了一個叫做 array2 的東西，他的內容是記憶體地址，
而且這個地址應該指到 Heap 裡面一個陣列物件，而這個陣列裡面的每個原素也
是一個記憶體地址，而這些記憶體地址應該指到類別為 Object 的物件。』

=========================================================================
請覆誦：

Type 1：『Stack 上長了一塊叫做 x 的東西，他的內容是整數十。』

Type 2：『Stack 上長了一個叫做 object  的東西，他的內容是「記憶體地址」，
          而且這個地址應該指到 Heap  裡面一個類別為 Object 的物件。』

Type 3：『Stack 上長了一個叫做 array  的東西，他的內容是記憶體地址，而且
          這個地址應該指到 Heap 裡面一個陣列物件，而這個陣列裡面的每個原
          素應該要是 int。』

Type 4：『Stack 上長了一個叫做 array2 的東西，他的內容是記憶體地址，而且
          這個地址應該指到 Heap 裡面一個陣列物件，而這個陣列裡面的每個原
          素也是一個記憶體地址，而這些記憶體地址應該指到類別為 Object 的
          物件。』

PS. 上述口訣裡的『應該』都是有理由的，請不要省略，將來遇到多型的部份就不
    會覺得奇怪了！
=========================================================================

累了，等下再繼續寫畫圖的部份。

--
   ~                 白馬帶著她一步步地回到中原。白馬已經老了，只能慢慢地走，
  'v'    Brian Hsu   但終是能回到中原的。江南有楊柳、桃花，有燕子、金魚……
 // \\   ( 墳 墓 )
/(   )\              但這個美麗的姑娘就像古高昌國人那樣固執。 【白馬嘯西風】
 ^`~'^
   http://bone.twbbs.org.tw/blog        『那都是很好很好的，可我偏不喜歡。』

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◆ From: 59.120.199.114
※ 編輯: brianhsu        來自: 59.120.199.114       (01/01 20:01)
推 dendrobium:好長的口訣XD
→ dendrobium:建議不要幾乎整段都畫重點，這樣等於沒畫...而且很傷眼
※ 編輯: brianhsu        來自: 59.120.199.114       (01/01 20:24)
推 ogamenewbie:其實我覺得整段畫有他的優點在, 但是顏色的確有點太亮
→ johnhmj:Stack長了一塊青春痘… XD 哈哈哈…
→ adrianshum:我覺得先不需要談stack和heap, 不然太多恐怕吸收不了
→ brianhsu:先談 Stack/Heap 才有辦法建立一致，將來也不會變的
→ brianhsu:Mental Model 啊，這是兩難。XD
→ brianhsu:例如 scope，GC 等，都和是在 Stack 或 Heap 有關的。
推 vencees:推好長的口訣XD
→ brianhsu:獨孤九劍光總訣式就三千字啦！這一點都不長。XD
> -------------------------------------------------------------------------- <

作者: brianhsu (墳墓) 看板: java
標題: Re: 搞懂變數、物件、參考。（Re: new 語法 …
時間: Fri Jan  1 20:55:28 2010


=======================================================
 1 void func ()
 2 {
 3    int x = 10;      // Type 1
 4    Object object;   // Type 2
 6    int [] array;    // Type 3
 7    Object [] array2 // Type 4
 9
10    object = new Object ();
11    array  = new int[2]
12    array2 = new Object[2]
13 }
=======================================================

繼續，照上面的那四個口訣，進入這個函式之後的每一步，記憶體長
什麼樣子呢？其中問號代表不知道實際的值是什麼，每一次執行都有
可能不一樣（危險的事情，驚）！

另外，下面所有的圖你都不會看到 CODE 的部份，因為『CODE  永遠
不會變，會變的只有 DATA！』

1. inx x = 10;

             我是 Stack                  右邊都是 Heap
            +-----------+
     我叫 x |    10     |
            +-----------+

2. Object object;

             我是 Stack                  右邊都是 Heap
            +-----------+
我叫 object |    ???    |
            +-----------+
     我叫 x |    10     |
            +-----------+

3. int [] array;

             我是 Stack                  右邊都是 Heap
            +-----------+
我叫 array  |    ???    |
            +-----------+
我叫 object |    ???    |
            +-----------+
     我叫 x |    10     |
            +-----------+

4. Object [] array2;

             我是 Stack                  右邊都是 Heap
            +-----------+
我叫 array2 |    ???    |
            +-----------+
我叫 array  |    ???    |
            +-----------+
我叫 object |    ???    |
            +-----------+
     我叫 x |    10     |
            +-----------+

以上，是程式執行到第 7 行時記憶體裡的狀況，我們的人腦 CPU 總
算把變數給宣告和初始化完了（淚）！

接著來看 new 這個關鍵字吧，這個關鍵字其實說起來很簡單的。

======================================================================
    程式碼                          口訣
  new Object ();    請在 Heap 裡生一個 Object 物件給我，並且返回這個物
                    件的『記憶體地址』

  new int [2];      請在 Heap 裡生一個長度為 2  的陣列物件給我，其中每
                    個元素存的應該是個整數，並且返回這個陣列物件的『記
　　　　　　　　　　憶體地址』

  new Object[2];    請在 Heap 裡生一個長度為 2  的陣列物件給我，其中每
                    個元素存的是記憶體地址，而這些記憶體地址應該要指到
                    Heap  裡類別為 Object 的物件。最後，請返回這個陣列
                    物件的記憶體地址。
======================================================================

所以，以下的程式碼就很簡單地可以了解了吧！？

注意！以下的記憶體地址只是概念，實際上執行時由 VM 決定到底在哪，每一次
執行都有可能在不同的位值。

1. object = new Object (); // 請在 Heap 裡生一個 Object 物件給我，並且把
                           // 返回的記憶體地址塞到 Stack 上名為 object
                           // 的東西裡。

             我是 Stack                  右邊都是 Heap
            +-----------+
我叫 array2 |    ???    |
            +-----------+
我叫 array  |    ???    |
            +-----------+              +-----------------+
我叫 object |  0x1234   | -----------> |   Object 物件   | 我活在 0x1234
            +-----------+              +-----------------+
     我叫 x |    10     |
            +-----------+

2. array = new int [2];

   // 請在 Heap 裡生一個長度為 2  的陣列物件給我，其中每個元素存的
   // 應該是個整數。最後把這個陣列物件的記憶體地址塞給 Stack  上叫
   // array 的東西裡。

             我是 Stack                  右邊都是 Heap

            +-----------+              +--------+--------+
我叫 array2 |    ???    |           +->|   整數 |  整數  | 我活在 0x3456
            +-----------+           |  +--------+--------+
我叫 array  |  0x3456   | ----------+
            +-----------+              +-----------------+
我叫 object |  0x1234   | -----------> |   Object 物件   | 我活在 0x1234
            +-----------+              +-----------------+
     我叫 x |    10     |
            +-----------+

3. array2 = new Object[2];

   // 請在 Heap 裡生一個長度為 2  的陣列物件給我，其中每個元素存的
   // 應該是個整數。最後把這個陣列物件的記憶體地址塞給 Stack  上叫
   // array 的東西裡。

             我是 Stack                  右邊都是 Heap
                                       +--------+--------+
                                +----> |  ???   |  ???   | 我住在 0xA000，但
                                |      +--------+--------+ 我沒有名字。
                                |
            +-----------+       |      +--------+--------+
我叫 array2 |  0xA000   | ------+   +->|   整數 |  整數  | 我住在 0x3456，但
            +-----------+           |  +--------+--------+ 我沒有名字。
我叫 array  |  0x3456   | ----------+
            +-----------+              +-----------------+
我叫 object |  0x1234   | -----------> |   Object 物件   | 我住在 0x1234，但
            +-----------+              +-----------------+ 我沒有名字。
     我叫 x |    10     |
            +-----------+

到這邊，上面這個函式結束前，記憶體內的狀況長得就是這樣。

接下來換你囉，請問文章一開頭的這個程式，執行到第 10 行為止，記憶體
應該長什麼樣子呢？

===== ClassExample.java =====
 1 public class ClassExample
 2 {
 3    int x = 3;
 4
 5    public static void main (String [] args)
 6    {
 7        int stackVar = 10;
 8
 9        ClassExample ex = new ClassExample ();
10        System.println ("ex.x = " + ex.x);
11
12        return;
13    }
14 }
============================

提示，你的 Heap 裡的 ClassExample 物件會長得像下面一樣。

             我是 Stack                  右邊都是 Heap

           +------------+               x
           |            |            +-----+--------------+
           |            |            |  3  | ...........  |  假設我活在 0x1234
           ^^^^^^^^^^^^^^            +-----+--------------+
           ^^^^^^^^^^^^^^
           |            |
           +------------+

如果你能正確畫出來左邊 Stack 的圖，那基本上你對於 Java 裡面的
變數／參考／物件的觀念應該沒有太大的問題。

最後，提醒一下，所謂『內容是記憶體位址的變數』在 Java 裡就叫做
reference（參考），在其他程式語言裡有時會叫做 pointer（指標）。

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   ~                 白馬帶著她一步步地回到中原。白馬已經老了，只能慢慢地走，
  'v'    Brian Hsu   但終是能回到中原的。江南有楊柳、桃花，有燕子、金魚……
 // \\   ( 墳 墓 )
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◆ From: 59.120.199.114
推 starericc:推
推 dendrobium:應該把某位置再指到對應的物件上，不過可能畫不下XD
※ 編輯: brianhsu        來自: 59.120.199.114       (01/01 21:11)
※ 編輯: brianhsu        來自: 59.120.199.114       (01/01 21:26)
推 sbrhsieh:這樣子的觀念講的很清楚很好。為了完整性可能要在圖上
→ sbrhsieh:加註 stack 中的值與 heap 中物件的位置不見得是直接的。
→ sbrhsieh:或是使用這樣子的線條 -----//----->(有比較好嗎？)
> -------------------------------------------------------------------------- <

作者: brianhsu (墳墓) 看板: java
標題: Re: 搞懂變數、物件、參考。（Re: new 語法 …
時間: Fri Jan  1 21:16:53 2010

: 3. array2 = new Object[2];
:
:    // 請在 Heap 裡生一個長度為 2  的陣列物件給我，其中每個元素存的
:    // 應該是個整數。最後把這個陣列物件的記憶體地址塞給 Stack  上叫
:    // array 的東西裡。
:
:              我是 Stack                  右邊都是 Heap
:                                        +--------+--------+
:                                 +----> |  ???   |  ???   | 我住在 0xA000，但
:                                 |      +--------+--------+ 我沒有名字。
:                                 |
:             +-----------+       |      +--------+--------+
: 我叫 array2 |  0xA000   | ------+   +->|   整數 |  整數  | 我住在 0x3456，但
:             +-----------+           |  +--------+--------+ 我沒有名字。
: 我叫 array  |  0x3456   | ----------+
:             +-----------+              +-----------------+
: 我叫 object |  0x1234   | -----------> |   Object 物件   | 我住在 0x1234，但
:             +-----------+              +-----------------+ 我沒有名字。
:      我叫 x |    10     |
:             +-----------+
:
: 推 dendrobium:應該把某位置再指到對應的物件上，不過可能畫不下XD     01/01 21:07

不，這沒有錯，是故意這樣畫的。
實際上某地址並不會指到有效的問件。

object = new Object[2];

只會產生『長度為 2 的陣列』這個物件而且，其中的『某地址』在這個
階段指到的是無效的記憶體位址，或乾脆就是 null。（在 JVM 1.6 裡
的行為是指到 null）

除非明再另外產生出物件給他們，例如：

object[0] = new String ("1234");
object[1] = new Object ();

這樣『某地址』才會實際指到存在的物件。

--
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◆ From: 59.120.199.114
推 dendrobium:那為了保持一致性，應該也改成 ??? 或 null 吧
你是對的，我把他改過來了。:p
※ 編輯: brianhsu        來自: 59.120.199.114       (01/01 21:27)
推 dendrobium:因為我不會java，所以寫某位置我會以為有新物件產生
→ johnhmj:布萊恩老師說：「我快要掛點了… X0」～
→ sbrhsieh:array element 會 initialize 成 element type 對應的
→ sbrhsieh:預設值，應該是從 Java 最初的版本就有