什么是内部类?我们将一个类A定义在另外一个类B中,那么这个类A就叫内部类。这是Java的一种非常有用的特性,它允许我们将“一些逻辑相关的类统一组织在一起,封装在内部,并控制类的可见性”。
在此之前,我们需要了解,内部类与组合是完全不同的概念,虽然它看起来像是一种代码隐藏机制,但其实内部类是了解外围类,并且能与之通信。下面,我们深刻探讨内部类的用法与底层原理。
内部类的定义:将一个类的定义放在另一个类的定义内部,我们称之为内部类。
内部类可以分为四种:
举例子1:创建一个内部类
//外围类
public class CreateInnerClass {
//内部类1
class Contents{
private int i = 11;
public int value() {
return i;
}
}
//内部类2
class Destination {
private String label;
public Destination(String whereTo) {
label = whereTo;
}
String readLabel() {
return label;
}
}
//外围类方法
public void setDest(String dest) {
// 外围类的方法内部,完成内部类的构造
Contents c = new Contents();
Destination d = new Destination(dest);
System.out.println(d.readLabel());
}
//外围类方法2
public Destination getAnotherDestination(){
return new Destination("anotherDestination");
}
//外围类方法3
public Contents getAnotherContents(){
return new Contents();
}
public static void main(String[] args) {
//新建外围类
CreateInnerClass innerClass = new CreateInnerClass();
innerClass.setDest("Tasmania");
//外部类可以拥有返回指向内部类引用的方法。
Destination anotherDestination = innerClass.getAnotherDestination();
Contents anotherContents = innerClass.getAnotherContents();
}
}
代码分析:
如果从外部类的非静态方法之外的任意位置,创建某个内部类的对象,那么需要通过外围类引用,具体的指明这个对象的类型:OuterClassName.InnerClassName。
内部类拥有其外围类的所有元素的访问权。
当生成一个内部类的对象时,此对象与制造它的外围对象(enclosing object)之间就有了一种联系,所以它能访问其外围对象的所有成员,而不需要任何特殊条件。
举例子2:内部类访问外围类的私有成员变量
首先,定义一个内部类行为的规范接口 Selector:
public interface Selector {
boolean end();
Object current();
void next();
}
然后,在外围类里定义这个内部类:
//外围类
public class Sequence {
//数组,私有对象
private Object[] items;
private int next = 0;
//构造器
public Sequence(int size) {
items = new Object[size];
}
public void add(Object x) {
if (next < items.length) {
items[next++] = x;
}
}
//外围类构造内部类的方法
public Selector selector() {
return new SequenceSelector();
}
//内部类,私有描述符
private class SequenceSelector implements Selector {
private int i = 0;
@Override
public boolean end() {
//这里直接访问的是外围类的私有成员变量哦!
return i == items.length;
}
@Override
public Object current() {
//这里直接访问的是外围类的私有成员变量哦!
return items[i];
}
@Override
public void next() {
//这里直接访问的是外围类的私有成员变量哦!
if (i < items.length) {
i++;
}
}
}
}
最后,我们运行测试用例:
public static void main(String[] args) {
Sequence sequence = new Sequence(10);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
sequence.add(Integer.toString(i));
}
//获取内部类,通过内部类来访问外围类的私有成员属性
Selector selector = sequence.selector();
while (!selector.end()) {
System.out.print(selector.current() + " ");
selector.next();
}
}
代码分析:
内部类自动拥有对其外围类所有成员的访问权。
这是如何做到的呢?当某个外围类的对象创建了一个内部类对象时,此内部类对象必定会秘密地捕获一个指向那个外围类对象的引用。然后,在你访问此外围类的成员时,就是用那个引用来选择外围类的成员。这里面是编译器帮忙处理了所有的细节,因此得到结论:内部类的对象只能在与其外围类的对象相关联的情况下才能被创建(前提是:该内部类是非static,静态内部类是其他情况,且看下文“静态内部类”)。
什么是静态内部类?
我们定义静态内部类:在定义内部类的时候,可以在其前面加上一个权限修饰符static。此时这个内部类就变为了静态内部类。
Nested classes are divided into two categories: static and non-static. Nested classes that are declared static are called static nested classes. Non-static nested classes are called inner classes.
举例子3:静态内部类的创建
/**
* <p>
* 静态内部类:声明为static的内部类
* 不需要外围类的对象即可以创建嵌套类
* 嵌套类对象不可访问非静态的外围类对象
* </p>
*/
public class TestStaticsInnerClass {
//静态内部类
public static class Contents{
}
//非静态内部类
class Destination{
}
public static void main(String[] args) {
TestStaticsInnerClass p = new TestStaticsInnerClass();
//非静态内部类,需要外围类的引用来创建
TestStaticsInnerClass.Destination d = p.new Destination();
//静态内部类,通过外围类名来直接创建
TestStaticsInnerClass.Contents c = new TestStaticsInnerClass.Contents();
}
代码分析:
在创建静态内部类时不需要将静态内部类的实例绑定在外部类的实例上。静态类和方法只属于类本身,并不属于 该类的对象,更不属于其他外部类的对象。
它解决了一个场景:如果不需要内部类对象与其外围类对象之间有联系,那么可以将内部类声明为static。
与普通的内部类还有一个区别:普通内部类的字段与方法,只能放在类的外部层次上,所以普通的内部类不能有static数据和static字段, 也不能包含嵌套类。但是在嵌套类里可以包含所有这些东西。也就是说,在非静态内部类中不可以声明静态成员,只有将某个内部类修饰为静态类,然后才能够在这 个类中定义静态的成员变量与成员方法。
.this:内部类链接到外围类引用的手段
举例子4:.this的用法
/**
* <p>
* 若要生成对外部对象的引用,使用类名+“.this”的方式。
* </p>
*/
public class DotThis {
//外围类方法1
void f() {
System.out.println("DotThis.f()");
}
//外围类方法2:创建内部类
public Inner inner() {
return new Inner();
}
//内部类
public class Inner {
// 返回外部类的引用
public DotThis outerClass() {
//类名.this返回外围类引用
return DotThis.this;
}
}
public static void main(String[] args) {
DotThis dotThis = new DotThis();
//创建了一个内部类
DotThis.Inner dti = dotThis.inner();
}
}
.new:使用外围类引用创建内部类的手段
举例子5:.new的用法
/**
* <p>
* 希望其他对象创建其某个内部类的对象,使用.new获得对外部类对象的引用。
* </p>
*/
public class DotNew {
//外围类仅仅提供了一个内部类,但是没有开放任何方法给客户端来调用,以达到从内部类的目的。
public class Inner{
}
public Inner getInner(){
return new Inner();
}
public static void main(String[] args) {
//这种情况,因为外围类没有提供获取内部类Inner的方法,但我们又需要创建这个内部类,那就使用.new
DotNew dn = new DotNew();
//通过.new关键字创建一个内部类
DotNew.Inner dni = dn.new Inner();
//普通方法创建一个内部类
DotNew.Inner dni2 = dn.getInner();
}
}
内部类的向上转型
这个更加容易理解,内部类可以继承抽象类,也可以实现接口。
举例子6:内部类的向上转型
内部类需要实现的接口
public interface Conents {
int value();
}
public interface Destination {
String readLabel();
}
内部类的封装
public class TestInterfaceInnerClass {
private class PContents implements Conents {
private int i = 11;
@Override
public int value() {
return i;
}
}
protected class PDestination implements Destination {
private String label;
private PDestination(String whereTo) {
label = whereTo;
}
@Override
public String readLabel() {
return label;
}
}
public Destination destination(String s) {
return new PDestination(s);
}
public Conents contents() {
return new PContents();
}
}
测试demo
public class TestDemo extends TestInterfaceInnerClass{
public static void main(String[] args) {
TestInterfaceInnerClass p = new TestInterfaceInnerClass();
Conents contents = p.contents();
Destination tasmania = p.destination("Tasmania");
}
}
代码分析:
内部类的用武之地:将内部类向上转型为基类时,尤其是转型为一个接口的时候,所得到的直接指向基类或接口的引用,能够很方便地隐藏实现细节;且这些接口的实现对于调用方,能够完全不可见的。
局部内部类是什么?
我们将局部内部类定位为:在方法和作用域内的内部类。它解决了一个场景问题:我们要想创建一个类来辅助解决方案,但是又不希望这个类是公共可用的。
举例子7:方法和作用域中的内部类
/**
* <p>
* 方法和作用域中的内部类
* </p>
*/
public class TestMethodInnerClass {
public Destination destination() {
//方法域的内部类(局部内部类:在方法作用域内创建的类),看上去像是“接口实例化”
class PDestination implements Destination {
@Override
public String readLabel() {
return "label";
}
}
return new PDestination();
}
public static void main(String[] args) {
//外围类的方法调用,获取到内部类的引用
TestMethodInnerClass p = new TestMethodInnerClass();
Destination d = p.destination();
}
}
代码分析:
方法域的内部类(局部内部类:在方法作用域内创建的类),看上去像是“接口实例化”。
举例子8:任意代码块中嵌入内部类
/**
* <p>
* 任意代码块中嵌入内部类(内部类与别的类一起被编译。在作用域之外不可访问。此外与普通类一样。)
* </p>
*/
public class TestMethodCodeBlockInnerClass {
private void internalTracking(boolean b) {
if (b) {
//任意代码块中嵌入内部类,那么只能在该代码块中生效,在代码块外不能被访问。
class TrackingSlip {
private String id;
public TrackingSlip(String s) {
id = s;
}
String getSlip() {
return id;
}
}
TrackingSlip ts = new TrackingSlip("slip");
String s = ts.getSlip();
}
// Can’t use it here! Out of scope:
//这里编译会报错,无法引用到 TrackingSlip
// TrackingSlip ts = new TrackingSlip("x");
}
//外围类提供方法1
public void track() {
internalTracking(true);
}
public static void main(String[] args) {
// 创建外围类
TestMethodCodeBlockInnerClass p = new TestMethodCodeBlockInnerClass();
p.track();
}
}
代码分析:
任意代码块中嵌入内部类,那么只能在该代码块中生效,在代码块外不能被访问。
内部类还可以继续嵌套内部类。
举例子9:多重嵌套的内部类
/**
* <p>
* 内部类嵌套
* </p>
*/
class MNA{
private void f() {}
class A {
private void g() {}
public class B {
void h() {
g();
f();
}
}
}
}
public class MultiNestingAccess {
public static void main(String[] args) {
MNA mna = new MNA();
//通过外围类引用才能继续创建内部类A类
MNA.A mnaa = mna.new A();
//通过A类引用才能继续创建A类的内部类
MNA.A.B mnaab = mnaa.new B();
mnaab.h();
}
}
代码分析:
对于多重嵌套的非静态内部类,我们需要层次分明的构建每一次嵌套的对象,然后通过引用来创建对象。
匿名内部类是什么?
匿名类本质上是一个表达式,匿名类的语法就类似于调用一个类的构建函数(new HelloWorld()),除些之外,还包含了一个代码块,在代码块中完成类的定义。
举例子10:匿名内部类的使用
/**
* <p>
* 匿名内部类
* </p>
*/
public class Parcel7 {
//匿名内部类方法-形式1:抽象接口+接口方法实现
public Contents contents() {
return new Contents() {
private int i = 11;
@Override
public int value() {
return i;
}
};
}
//匿名内部类方法-形式2:显式声明接口的实现类并返回该类的实例
class MyContents implements Contents {
private int i = 11;
@Override
public int value() {
return i;
}
}
public Contents contentsV2(){
return new MyContents();
}
public static void main(String[] args) {
Parcel7 p = new Parcel7();
Contents c = p.contents();
Contents c2 = p.contentsV2();
}
}
代码分析:
对于匿名类而言,实例初始化的实际效果就是构造器,但它受到了限制:你不能重载实例初始化方法,所以你仅有一个这样的构造器。
匿名内部类与正规的继承相比有些受限,因为匿名内部类既可以扩展类,也可以实现接口,但是不能两者兼备。而且如果是实现接口,也只能实现一个接口。
但我们需要明确:应该优先使用类而不是接口,如果设计中需要某个接口,你必须了解它。否则,不到迫不得已,不要将其放到你的设计中。
外围类A继承了外围类B的内部类,需要注意需要指明继承关系,否则编译器会报错:“No enclosing instance of type 'innerClass.test10.WithInner' is in scope"。
举例子11:继承内部类的示例
class
WithInner{
class
Inner{ }}// 内部类继承,但是需要指明继承关系public
class
InheritInner
extends
WithInner.Inner
{
public
InheritInner(WithInner wi)
{
//显式调用外围类的引用的构造器 wi.super(); }
public
static
void
main(String[] args)
{ WithInner wi = new WithInner(); InheritInner ii = new InheritInner(wi); }}
代码分析:
继承了内部类的对象,在其构造器的第一行必须显式调用,内部类所在的外围类的对象引用的super()方法。
因为内部类隐式的持有外部类的引用,所以,我们需要在 InheritInner 的构造方法中显式的调用 WithInner 的构造方法来给 Inner一个outer的引用。
this()和super()为构造方法,作用是在JVM堆中构建出一个对象。因为避免多次创建对象,所以一个方法只能调用一次this()或super()。this()和super()的调用只能写在第一行,避免操作对象时对象还未构建成功。而且this()和super()不能同时出现。
内部类标识符是什么?
由于每个类都会产生一个.class文件,其中包含了如何创建该类型的对象的全部信息(此信息产生一个“meta-class”,叫做Class对象),因此,内部类也必须生成一个.class文件以包含它们的Class对象信息。
举例子12:我们对包含一个内部类的外围类进行编译
OuterClass.java
public class OuterClass {
class InnerClass{
}
public static void main(String[] args) {
OuterClass outerClass = new OuterClass();
InnerClass innerClass = outerClass.new InnerClass();
}
}
编译指令:
javac -encoding utf-8 OuterClass.java
编译结果:
结果分析:
这些类文件的命名有严格的规则:外围类的名字,加上“$”,再加上内部类的名字。
实际上还有另外两个规则:
承接上面,我们利用 javap 工具来分析 class 文件。
OuterClass.class:对于外围类编译的类文件,我们主要分析三个方面:
OuterClass$InnerClass.class:对于内部类编译的类文件,我们同样分析常量池、方法表集合、Inner属性表。
《JVM虚拟机》对 InnerClasses 属性的定义:
至此,以上就是内部类与外围类的编译文件分析&相关知识的全部了。
这一节里面,我介绍了内部类的四种形态应用(局部内部类/匿名内部类/静态内部类/成员内部类)、继承机制对内部类的影响 以及 内部类编译原理,希望对大家有所帮助。
其实,比起面向对象编程中其他的概念来,接口和内部类更深奥复杂。接口和内部类的使用,理解语法和语义;C++就没有这些困难。但是相比较C++的多重继承(事实证明非常难以使用),Java 的接口和内部类就相对容易理解了。