(22) 代码的组织机制 / 计算机程序的思维逻辑

使用任何语言进行编程都有一个类似的问题,那就是如何组织代码,具体来说,如何避免命名冲突?如何合理组织各种源文件?如何使用第三方库?各种代码和依赖库如何编译连接为一个完整的程序?

本节就来讨论Java中的解决机制,具体包括包、jar包、程序的编译与连接,从包开始。

包的概念

使用任何语言进行编程都有一个相同的问题,就是命名冲突,程序一般不全是一个人写的,会调用系统提供的代码、第三方库中的代码、项目中其他人写的代码等,不同的人就不同的目的可能定义同样的类名/接口名,Java中解决这个问题的方法就是包。

即使代码都是一个人写的,将很多个关系不太大的类和接口都放在一起,也不便于理解和维护,Java中组织类和接口的方式也是包。

包是一个比较容易理解的概念,类似于电脑中的文件夹,正如我们在电脑中管理文件,文件放在文件夹中一样,类和接口放在包中,为便于组织,文件夹一般是一个层次结构,包也类似。

包有包名,这个名称以逗号分隔表示层次结构。比如说,我们之前常用的String类,就位于包java.lang下,其中java是上层包名, lang是下层包名,带完整包名的类名称为其完全限定名,比如String类的完全限定名为java.lang.String。Java API中所有的类和接口都位于包java或javax下,java是标准包,javax是扩展包。

接下来,我们讨论包的细节,从声明类所在的包开始。

声明类所在的包

语法

我们之前定义类的时候没有定义其所在的包,默认情况下,类位于默认包下,使用默认包是不建议的,文章中使用默认包只是简单起见。

定义类的时候,应该先使用关键字package,声明其包名,如下所示:

package shuo.laoma;

public class Hello {
    //类的定义
}

以上声明类Hello的包名为shuo.laoma,包声明语句应该位于源代码的最前面,前面不能有注释外的其他语句。

包名和文件目录结构必须匹配,如果源文件的根目录为 E:\src\,则上面的Hello类对应的文件Hello.java,其全路径就应该是E:\src\shuo\laoma\Hello.java。如果不匹配,Java会提示编译错误。

命名冲突

为避免命名冲突,Java中命名包名的一个惯例是使用域名作为前缀,因为域名是唯一的,一般按照域名的反序来定义包名,比如,域名是:apache.org,包名就以org.apache开头。

没有域名的,也没关系,使用一个其他代码不太会用的包名即可,比如本文使用的"shuo.laoma",表示"老马说编程"中的例子。

如果代码需要公开给其他人用,最好有一个域名以确保唯一性,如果只是内部使用,则确保内部没有其他代码使用该包名即可。

组织代码

除了避免命名冲突,包也是一种方便组织代码的机制,一般而言,同一个项目下的所有代码,都有一个相同的包前缀,这个前缀是唯一的,不会与其他代码重名,在项目内部,根据不同目的再细分为子包,子包可能又会分为子包,形成层次结构,内部实现一般位于比较底层的包。

包可以方便模块化开发,不同功能可以位于不同包内,不同开发人员负责不同的包。包也可以方便封装,供外部使用的类可以放在包的上层,而内部的实现细节则可以放在比较底层的子包内。

通过包使用类 同一个包下的类之间互相引用是不需要包名的,可以直接使用。但如果类不在同一个包内,则必须要知道其所在的包,使用有两种方式,一种是通过类的完全限定名,另外一种是将用到的类引入到当前类。

只有一个例外,java.lang包下的类可以直接使用,不需要引入,也不需要使用完全限定名,比如String类,System类,其他包内的类则不行。

比如说,使用Arrays类中的sort方法,通过完全限定名,可以这样使用:

int[] arr = new int[]{1,4,2,3};
java.util.Arrays.sort(arr);
System.out.println(java.util.Arrays.toString(arr));

显然,这样比较啰嗦,另外一种就是将该类引入到当前类,引入的关键字是import,import需要放在package定义之后,类定义之前,如下所示:

package shuo.laoma;
import java.util.Arrays;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{1,4,2,3};
        Arrays.sort(arr);
        System.out.println(Arrays.toString(arr));
    }
}

import时,可以一次将某个包下的所有类引入,语法是使用.*,比如,将java.util包下的所有类引入,语法是:import java.util.*,需要注意的是,这个引入不能递归,它只会引入java.util包下的直接类,而不会引入java.util下嵌套包内的类,比如,不会引入包java.util.zip下面的类。试图嵌套引入的形式也是无效的,如import java.util.*.*。

在一个类内,对其他类的引用必须是唯一确定的,不能有重名的类,如果有,则通过import只能引入其中的一个类,其他同名的类则必须要使用完全限定名。

引入类是一个比较繁琐的工作,不过,大多数Java开发环境都提供工具自动做这件事,比如,在Eclipse中,通过菜单"Source->Organize Imports"或对应的快捷键ctrl+shift+O就可以自动管理引入类。

包范围可见性

前面几节我们介绍过,对于类、变量和方法,都可以有一个可见性修饰符,public/private/protected,而上节,我们提到可以不写修饰符。如果什么修饰符都不写,它的可见性范围就是同一个包内,同一个包内的其他类可以访问,而其他包内的类则不可以访问。

需要说明的是,同一个包指的是同一个直接包,子包下的类并不能访问,比如说,类shuo.laoma.Hello和shuo.laoma.inner.Test,其所在的包shuo.laoma和shuo.laoma.inner是两个完全独立的包,并没有逻辑上的联系,Hello类和Test类不能互相访问对方的包可见性方法和属性。

另外,需要说明的是protected修饰符,protected可见性包括包可见性,也就是说,声明为protected,不仅表明子类可以访问,还表明同一个包内的其他类可以访问,即使这些类不是子类也可以。

总结来说,可见性范围从小到大是:

private < 默认(包) < protected < public

jar包

为方便使用第三方代码,也为了方便我们写的代码给其他人使用,各种程序语言大多有打包的概念,打包的一般不是源代码,而是编译后的代码,打包将多个编译后的文件打包为一个文件,方便其他程序调用。

在Java中,编译后的一个或多个包的Java class文件可以打包为一个文件,Java中打包命令为jar,打包后的文件后缀为.jar,一般称之为jar包。

可以使用如下方式打包,首先到编译后的java class文件根目录,然后运行如下命令打包:

jar -cvf <包名>.jar <最上层包名>

比如,对前面介绍的类打包,如果Hello.class位于E:\bin\shuo\laoma\Hello.class,则可以到目录 E:\bin下,然后运行:

jar -cvf hello.jar shuo

hello.jar就是jar包,jar包其实就是一个压缩文件,可以使用解压缩工具打开。

Java类库、第三方类库都是以jar包形式提供的。如何使用jar包呢?将其加入到类路径(classpath)中即可。类路径是什么呢?

程序的编译与连接

从Java源代码到运行的程序,有编译和连接两个步骤。编译是将源代码文件变成一种字节码,后缀是.class的文件,这个工作一般是由javac这个命令完成的。连接是在运行时动态执行的,.class文件不能直接运行,运行的是Java虚拟机,虚拟机听起来比较抽象,执行的就是java这个命令,这个命令解析.class文件,转换为机器能识别的二进制代码,然后运行,所谓连接就是根据引用到的类加载相应的字节码并执行。

Java编译和运行时,都需要以参数指定一个classpath,即类路径。类路径可以有多个,对于直接的class文件,路径是class文件的根目录,对于jar包,路径是jar包的完整名称(包括路径和jar包名),在Windows系统中,多个路径用分号;分隔,在其他系统中,以冒号:分隔。

在Java源代码编译时,Java编译器会确定引用的每个类的完全限定名,确定的方式是根据import语句和classpath。如果import的是完全限定类名,则可以直接比较并确定。如果是模糊导入(import带.*),则根据classpath找对应父包,再在父包下寻找是否有对应的类。如果多个模糊导入的包下都有同样的类名,则Java会提示编译错误,此时应该明确指定import哪个类。

Java运行时,会根据类的完全限定名寻找并加载类,寻找的方式就是在类路径中寻找,如果是class文件的根目录,则直接查看是否有对应的子目录及文件,如果是jar文件,则首先在内存中解压文件,然后再查看是否有对应的类。

总结来说,import是编译时概念,用于确定完全限定名,在运行时,只根据完全限定名寻找并加载类,编译和运行时都依赖类路径,类路径中的jar文件会被解压缩用于寻找和加载类。

小结

本节介绍了Java中代码组织的机制,包和jar包,以及程序的编译和连接。将类和接口放在合适的具有层次结构的包内,避免命名冲突,代码可以更为清晰,便于实现封装和模块化开发,通过jar包使用第三方代码,将自身代码打包为jar包供其他程序使用,这些都是解决复杂问题所必需的。

我们一直在说,程序主要就是对数据的操作,为表示和操作数据,我们介绍了基本类型,类以及接口,下节,我们介绍Java中表示和操作一种特殊数据的机制 - 枚举。

原文发布于微信公众号 - 老马说编程(laoma_shuo)

原文发表时间:2016-06-27

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