夯實Java基礎(chǔ)系列18：深入理解Java內(nèi)部類及其實現(xiàn)原理

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內(nèi)部類初探

什么是內(nèi)部類？

　　內(nèi)部類是指在一個外部類的內(nèi)部再定義一個類。內(nèi)部類作為外部類的一個成員，并且依附于外部類而存在的。內(nèi)部類可為靜態(tài)，可用protected和private修飾（而外部類只能使用public和缺省的包訪問權(quán)限）。內(nèi)部類主要有以下幾類：成員內(nèi)部類、局部內(nèi)部類、靜態(tài)內(nèi)部類、匿名內(nèi)部類

內(nèi)部類的共性

(1)內(nèi)部類仍然是一個獨立的類，在編譯之后內(nèi)部類會被編譯成獨立的.class文件，但是前面冠以外部類的類名和$符號 。

(2)內(nèi)部類不能用普通的方式訪問。

(3)內(nèi)部類聲明成靜態(tài)的，就不能隨便的訪問外部類的成員變量了，此時內(nèi)部類只能訪問外部類的靜態(tài)成員變量 。

(4)外部類不能直接訪問內(nèi)部類的的成員，但可以通過內(nèi)部類對象來訪問

　　內(nèi)部類是外部類的一個成員，因此內(nèi)部類可以自由地訪問外部類的成員變量，無論是否是private的。

　　因為當某個外圍類的對象創(chuàng)建內(nèi)部類的對象時，此內(nèi)部類會捕獲一個隱式引用，它引用了實例化該內(nèi)部對象的外圍類對象。通過這個指針，可以訪問外圍類對象的全部狀態(tài)。

通過反編譯內(nèi)部類的字節(jié)碼，分析之后主要是通過以下幾步做到的：

　　1 編譯器自動為內(nèi)部類添加一個成員變量， 這個成員變量的類型和外部類的類型相同， 這個成員變量就是指向外部類對象的引用；

　　2 編譯器自動為內(nèi)部類的構(gòu)造方法添加一個參數(shù)， 參數(shù)的類型是外部類的類型， 在構(gòu)造方法內(nèi)部使用這個參數(shù)為1中添加的成員變量賦值；

　　3 在調(diào)用內(nèi)部類的構(gòu)造函數(shù)初始化內(nèi)部類對象時， 會默認傳入外部類的引用。

使用內(nèi)部類的好處：

靜態(tài)內(nèi)部類的作用：

1 只是為了降低包的深度，方便類的使用，靜態(tài)內(nèi)部類適用于包含類當中，但又不依賴與外在的類。

2 由于Java規(guī)定靜態(tài)內(nèi)部類不能用使用外在類的非靜態(tài)屬性和方法，所以只是為了方便管理類結(jié)構(gòu)而定義。于是我們在創(chuàng)建靜態(tài)內(nèi)部類的時候，不需要外部類對象的引用。

非靜態(tài)內(nèi)部類的作用：

1 內(nèi)部類繼承自某個類或?qū)崿F(xiàn)某個接口，內(nèi)部類的代碼操作創(chuàng)建其他外圍類的對象。所以你可以認為內(nèi)部類提供了某種進入其外圍類的窗口。

2 使用內(nèi)部類最吸引人的原因是:每個內(nèi)部類都能獨立地繼承自一個(接口的)實現(xiàn)，所以無論外圍類是否已經(jīng)繼承了某個(接口的)實現(xiàn)，對于內(nèi)部類都沒有影響

3 如果沒有內(nèi)部類提供的可以繼承多個具體的或抽象的類的能力，一些設(shè)計與編程問題就很難解決。
從這個角度看，內(nèi)部類使得多重繼承的解決方案變得完整。接口解決了部分問題，而內(nèi)部類有效地實現(xiàn)了”多重繼承”。

那靜態(tài)內(nèi)部類與普通內(nèi)部類有什么區(qū)別呢？

問得好，區(qū)別如下：

（1）靜態(tài)內(nèi)部類不持有外部類的引用
在普通內(nèi)部類中，我們可以直接訪問外部類的屬性、方法，即使是private類型也可以訪問，這是因為內(nèi)部類持有一個外部類的引用，可以自由訪問。而靜態(tài)內(nèi)部類，則只可以訪問外部類的靜態(tài)方法和靜態(tài)屬性（如果是private權(quán)限也能訪問，這是由其代碼位置所決定的），其他則不能訪問。

（2）靜態(tài)內(nèi)部類不依賴外部類
普通內(nèi)部類與外部類之間是相互依賴的關(guān)系，內(nèi)部類實例不能脫離外部類實例，也就是說它們會同生同死，一起聲明，一起被垃圾回收器回收。而靜態(tài)內(nèi)部類是可以獨立存在的，即使外部類消亡了，靜態(tài)內(nèi)部類還是可以存在的。

（3）普通內(nèi)部類不能聲明static的方法和變量
普通內(nèi)部類不能聲明static的方法和變量，注意這里說的是變量，常量（也就是final static修飾的屬性）還是可以的，而靜態(tài)內(nèi)部類形似外部類，沒有任何限制。

為什么普通內(nèi)部類不能有靜態(tài)變量呢？

1 成員內(nèi)部類 之所以叫做成員 就是說他是類實例的一部分 而不是類的一部分

2 結(jié)構(gòu)上來說 他和你聲明的成員變量是一樣的地位 一個特殊的成員變量 而靜態(tài)的變量是類的一部分和實例無關(guān)

3 你若聲明一個成員內(nèi)部類 讓他成為主類的實例一部分 然后又想在內(nèi)部類聲明和實例無關(guān)的靜態(tài)的東西 你讓JVM情何以堪啊

4 若想在內(nèi)部類內(nèi)聲明靜態(tài)字段 就必須將其內(nèi)部類本身聲明為靜態(tài)

非靜態(tài)內(nèi)部類有一個很大的優(yōu)點：可以自由使用外部類的所有變量和方法

下面的例子大概地介紹了

1 非靜態(tài)內(nèi)部類和靜態(tài)內(nèi)部類的區(qū)別。

2 不同訪問權(quán)限的內(nèi)部類的使用。

3 外部類和它的內(nèi)部類之間的關(guān)系

//本節(jié)討論內(nèi)部類以及不同訪問權(quán)限的控制
//內(nèi)部類只有在使用時才會被加載。
//外部類B
public class B{
    int i = 1;
    int j = 1;
    static int s = 1;
    static int ss = 1;
    A a;
    AA aa;
    AAA aaa;
    //內(nèi)部類A
    public class A {
//        static void go () {
//
//        }
//        static {
//
//        }
//      static int b = 1;//非靜態(tài)內(nèi)部類不能有靜態(tài)成員變量和靜態(tài)代碼塊和靜態(tài)方法，
        // 因為內(nèi)部類在外部類加載時并不會被加載和初始化。
        //所以不會進行靜態(tài)代碼的調(diào)用
        int i = 2;//外部類無法讀取內(nèi)部類的成員，而內(nèi)部類可以直接訪問外部類成員
        public void test() {
            System.out.println(j);
            j = 2;
            System.out.println(j);
            System.out.println(s);//可以訪問類的靜態(tài)成員變量
        }
        public void test2() {
            AA aa = new AA();
            AAA aaa = new AAA();
        }
    }
    //靜態(tài)內(nèi)部類S，可以被外部訪問
    public static class S {
        int i = 1;//訪問不到非靜態(tài)變量。
        static int s = 0;//可以有靜態(tài)變量
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(s);
        }
        @Test
        public void test () {
//            System.out.println(j);//報錯，靜態(tài)內(nèi)部類不能讀取外部類的非靜態(tài)變量
            System.out.println(s);
            System.out.println(ss);
            s = 2;
            ss = 2;
            System.out.println(s);
            System.out.println(ss);
        }
    }
    //內(nèi)部類AA，其實這里加protected相當于default
    //因為外部類要調(diào)用內(nèi)部類只能通過B。并且無法直接繼承AA，所以必須在同包
    //的類中才能調(diào)用到(這里不考慮靜態(tài)內(nèi)部類)，那么就和default一樣了。
    protected class AA{
        int i = 2;//內(nèi)部類之間不共享變量
        public void test (){
            A a = new A();
            AAA aaa = new AAA();
            //內(nèi)部類之間可以互相訪問。
        }
    }
    //包外部依然無法訪問，因為包沒有繼承關(guān)系，所以找不到這個類
    protected static class SS{
        int i = 2;//內(nèi)部類之間不共享變量
        public void test (){
            //內(nèi)部類之間可以互相訪問。
        }
    }
    //私有內(nèi)部類A，對外不可見，但對內(nèi)部類和父類可見
    private class AAA {
        int i = 2;//內(nèi)部類之間不共享變量
        public void test() {
            A a = new A();
            AA aa = new AA();
            //內(nèi)部類之間可以互相訪問。
        }
    }
    @Test
    public void test(){
        A a = new A();
        a.test();
        //內(nèi)部類可以修改外部類的成員變量
        //打印出 1 2
        B b = new B();
    }
}
//另一個外部類
class C {
    @Test
    public void test() {
        //首先，其他類內(nèi)部類只能通過外部類來獲取其實例。
        B.S s = new B.S();
        //靜態(tài)內(nèi)部類可以直接通過B類直接獲取，不需要B的實例，和靜態(tài)成員變量類似。
        //B.A a = new B.A();
        //當A不是靜態(tài)類時這行代碼會報錯。
        //需要使用B的實例來獲取A的實例
        B b = new B();
        B.A a = b.new A();
        B.AA aa = b.new AA();//B和C同包，所以可以訪問到AA
//      B.AAA aaa = b.new AAA();AAA為私有內(nèi)部類，外部類不可見
        //當A使用private修飾時，使用B的實例也無法獲取A的實例，這一點和私有變量是一樣的。
        //所有普通的內(nèi)部類與類中的一個變量是類似的。靜態(tài)內(nèi)部類則與靜態(tài)成員類似。
    }
}

內(nèi)部類的加載

可能剛才的例子中沒辦法直觀地看到內(nèi)部類是如何加載的，接下來用例子展示一下內(nèi)部類加載的過程。

1 內(nèi)部類是延時加載的，也就是說只會在第一次使用時加載。不使用就不加載，所以可以很好的實現(xiàn)單例模式。

2 不論是靜態(tài)內(nèi)部類還是非靜態(tài)內(nèi)部類都是在第一次使用時才會被加載。

3 對于非靜態(tài)內(nèi)部類是不能出現(xiàn)靜態(tài)模塊（包含靜態(tài)塊，靜態(tài)屬性，靜態(tài)方法等）

4 非靜態(tài)類的使用需要依賴于外部類的對象，詳見上述對象innerClass 的初始化。

簡單來說，類的加載都是發(fā)生在類要被用到的時候。內(nèi)部類也是一樣

1 普通內(nèi)部類在第一次用到時加載，并且每次實例化時都會執(zhí)行內(nèi)部成員變量的初始化，以及代碼塊和構(gòu)造方法。

2 靜態(tài)內(nèi)部類也是在第一次用到時被加載。但是當它加載完以后就會將靜態(tài)成員變量初始化，運行靜態(tài)代碼塊，并且只執(zhí)行一次。當然，非靜態(tài)成員和代碼塊每次實例化時也會執(zhí)行。

總結(jié)一下Java類代碼加載的順序，萬變不離其宗。

規(guī)律一、初始化構(gòu)造時，先父后子；只有在父類所有都構(gòu)造完后子類才被初始化

規(guī)律二、類加載先是靜態(tài)、后非靜態(tài)、最后是構(gòu)造函數(shù)。

靜態(tài)構(gòu)造塊、靜態(tài)類屬性按出現(xiàn)在類定義里面的先后順序初始化，同理非靜態(tài)的也是一樣的，只是靜態(tài)的只在加載字節(jié)碼時執(zhí)行一次，不管你new多少次，非靜態(tài)會在new多少次就執(zhí)行多少次

規(guī)律三、java中的類只有在被用到的時候才會被加載

規(guī)律四、java類只有在類字節(jié)碼被加載后才可以被構(gòu)造成對象實例

成員內(nèi)部類

在方法中定義的內(nèi)部類稱為局部內(nèi)部類。與局部變量類似，局部內(nèi)部類不能有訪問說明符，因為它不是外圍類的一部分，但是它可以訪問當前代碼塊內(nèi)的常量，和此外圍類所有的成員。

需要注意的是：
局部內(nèi)部類只能在定義該內(nèi)部類的方法內(nèi)實例化，不可以在此方法外對其實例化。

public class 局部內(nèi)部類 {
    class A {//局部內(nèi)部類就是寫在方法里的類，只在方法執(zhí)行時加載，一次性使用。
        public void test() {
            class B {
                public void test () {
                    class C {
                    }
                }
            }
        }
    }
    @Test
    public void test () {
        int i = 1;
        final int j = 2;
        class A {
            @Test
            public void test () {
                System.out.println(i);
                System.out.println(j);
            }
        }
        A a = new A();
        System.out.println(a);
    }
    static class B {
        public static void test () {
            //static class A報錯，方法里不能定義靜態(tài)內(nèi)部類。
            //因為只有在方法調(diào)用時才能進行類加載和初始化。
        }
    }
}

匿名內(nèi)部類

簡單地說：匿名內(nèi)部類就是沒有名字的內(nèi)部類，并且，匿名內(nèi)部類是局部內(nèi)部類的一種特殊形式。什么情況下需要使用匿名內(nèi)部類？如果滿足下面的一些條件，使用匿名內(nèi)部類是比較合適的：
只用到類的一個實例。
類在定義后馬上用到。
類非常?。⊿UN推薦是在4行代碼以下）
給類命名并不會導致你的代碼更容易被理解。
在使用匿名內(nèi)部類時，要記住以下幾個原則：

1 　匿名內(nèi)部類不能有構(gòu)造方法。

2 　匿名內(nèi)部類不能定義任何靜態(tài)成員、方法和類。

3 　匿名內(nèi)部類不能是public,protected,private,static。

4 　只能創(chuàng)建匿名內(nèi)部類的一個實例。

5 一個匿名內(nèi)部類一定是在new的后面，用其隱含實現(xiàn)一個接口或?qū)崿F(xiàn)一個類。

6 　因匿名內(nèi)部類為局部內(nèi)部類，所以局部內(nèi)部類的所有限制都對其生效。

一個匿名內(nèi)部類的例子：

    public class 匿名內(nèi)部類 {
}
interface D{
    void run ();
}
abstract class E{
    E (){
    }
    abstract void work();
}
class A {
        @Test
        public void test (int k) {
            //利用接口寫出一個實現(xiàn)該接口的類的實例。
            //有且僅有一個實例，這個類無法重用。
            new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
//                    k = 1;報錯，當外部方法中的局部變量在內(nèi)部類使用中必須改為final類型。
                    //因為方外部法中即使改變了這個變量也不會反映到內(nèi)部類中。
                    //所以對于內(nèi)部類來講這只是一個常量。
                    System.out.println(100);
                    System.out.println(k);
                }
            };
            new D(){
                //實現(xiàn)接口的匿名類
                int i =1;
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("run");
                    System.out.println(i);
                    System.out.println(k);
                }
            }.run();
            new E(){
                //繼承抽象類的匿名類
                int i = 1;
                void run (int j) {
                    j = 1;
                }
                @Override
                void work() {
                }
            };
        }
}

匿名內(nèi)部類里的final

使用的形參為何要為final

參考文件： http://android.blog.51cto.com/268543/384844

我們給匿名內(nèi)部類傳遞參數(shù)的時候，若該形參在內(nèi)部類中需要被使用，那么該形參必須要為final。也就是說：當所在的方法的形參需要被內(nèi)部類里面使用時，該形參必須為final。

為什么必須要為final呢？

首先我們知道在內(nèi)部類編譯成功后，它會產(chǎn)生一個class文件，該class文件與外部類并不是同一class文件，僅僅只保留對外部類的引用。當外部類傳入的參數(shù)需要被內(nèi)部類調(diào)用時，從java程序的角度來看是直接被調(diào)用：

public class OuterClass {
    public void display(final String name,String age){
        class InnerClass{
            void display(){
                System.out.println(name);
            }
        }
    }
}

從上面代碼中看好像name參數(shù)應該是被內(nèi)部類直接調(diào)用？其實不然，在java編譯之后實際的操作如下：

public class OuterClass$InnerClass {
    public InnerClass(String name,String age){
        this.InnerClass$name = name;
        this.InnerClass$age = age;
    }
    public void display(){
        System.out.println(this.InnerClass$name + "----" + this.InnerClass$age );
    }
}

所以從上面代碼來看，內(nèi)部類并不是直接調(diào)用方法傳遞的參數(shù)，而是利用自身的構(gòu)造器對傳入的參數(shù)進行備份，自己內(nèi)部方法調(diào)用的實際上時自己的屬性而不是外部方法傳遞進來的參數(shù)。

直到這里還沒有解釋為什么是final

在內(nèi)部類中的屬性和外部方法的參數(shù)兩者從外表上看是同一個東西，但實際上卻不是，所以他們兩者是可以任意變化的，也就是說在內(nèi)部類中我對屬性的改變并不會影響到外部的形參，而然這從程序員的角度來看這是不可行的。

畢竟站在程序的角度來看這兩個根本就是同一個，如果內(nèi)部類該變了，而外部方法的形參卻沒有改變這是難以理解和不可接受的，所以為了保持參數(shù)的一致性，就規(guī)定使用final來避免形參的不改變。

簡單理解就是，拷貝引用，為了避免引用值發(fā)生改變，例如被外部類的方法修改等，而導致內(nèi)部類得到的值不一致，于是用final來讓該引用不可改變。

故如果定義了一個匿名內(nèi)部類，并且希望它使用一個其外部定義的參數(shù)，那么編譯器會要求該參數(shù)引用是final的。

內(nèi)部類初始化

我們一般都是利用構(gòu)造器來完成某個實例的初始化工作的，但是匿名內(nèi)部類是沒有構(gòu)造器的！那怎么來初始化匿名內(nèi)部類呢？使用構(gòu)造代碼塊！利用構(gòu)造代碼塊能夠達到為匿名內(nèi)部類創(chuàng)建一個構(gòu)造器的效果。

public class OutClass {
    public InnerClass getInnerClass(final int age,final String name){
        return new InnerClass() {
            int age_ ;
            String name_;
            //構(gòu)造代碼塊完成初始化工作
            {
                if(0 < age && age < 200){
                    age_ = age;
                    name_ = name;
                }
            }
            public String getName() {
                return name_;
            }
            public int getAge() {
                return age_;
            }
        };
    }

內(nèi)部類的重載

　　如果你創(chuàng)建了一個內(nèi)部類，然后繼承其外圍類并重新定義此內(nèi)部類時，會發(fā)生什么呢？也就是說，內(nèi)部類可以被重載嗎？這看起來似乎是個很有用的點子，但是“重載”內(nèi)部類就好像它是外圍類的一個方法，其實并不起什么作用：

class Egg {
       private Yolk y;
       protected class Yolk {
              public Yolk() {
                     System.out.println("Egg.Yolk()");
              }
       }
       public Egg() {
              System.out.println("New Egg()");
              y = new Yolk();
       }
}
public class BigEgg extends Egg {
       public class Yolk {
              public Yolk() {
                     System.out.println("BigEgg.Yolk()");
              }
       }
       public static void main(String[] args) {
              new BigEgg();
       }
}
復制代碼
輸出結(jié)果為：
New Egg()
Egg.Yolk()

缺省的構(gòu)造器是編譯器自動生成的，這里是調(diào)用基類的缺省構(gòu)造器。你可能認為既然創(chuàng)建了BigEgg 的對象，那么所使用的應該是被“重載”過的Yolk，但你可以從輸出中看到實際情況并不是這樣的。
這個例子說明，當你繼承了某個外圍類的時候，內(nèi)部類并沒有發(fā)生什么特別神奇的變化。這兩個內(nèi)部類是完全獨立的兩個實體，各自在自己的命名空間內(nèi)。

內(nèi)部類的繼承

因為內(nèi)部類的構(gòu)造器要用到其外圍類對象的引用，所以在你繼承一個內(nèi)部類的時候，事情變得有點復雜。問題在于，那個“秘密的”外圍類對象的引用必須被初始化，而在被繼承的類中并不存在要聯(lián)接的缺省對象。要解決這個問題，需使用專門的語法來明確說清它們之間的關(guān)聯(lián)：

class WithInner {
        class Inner {
                Inner(){
                        System.out.println("this is a constructor in WithInner.Inner");
                };
        }
}
public class InheritInner extends WithInner.Inner {
        // ! InheritInner() {} // Won't compile
        InheritInner(WithInner wi) {
                wi.super();
                System.out.println("this is a constructor in InheritInner");
        }
        public static void main(String[] args) {
                WithInner wi = new WithInner();
                InheritInner ii = new InheritInner(wi);
        }
}

復制代碼
輸出結(jié)果為：
this is a constructor in WithInner.Inner
this is a constructor in InheritInner

可以看到，InheritInner 只繼承自內(nèi)部類，而不是外圍類。但是當要生成一個構(gòu)造器時，缺省的構(gòu)造器并不算好，而且你不能只是傳遞一個指向外圍類對象的引用。此外，你必須在構(gòu)造器內(nèi)使用如下語法：
enclosingClassReference.super();
這樣才提供了必要的引用，然后程序才能編譯通過。

有關(guān)匿名內(nèi)部類實現(xiàn)回調(diào)，事件驅(qū)動，委托等機制的文章將在下一節(jié)講述。

Java內(nèi)部類的實現(xiàn)原理

內(nèi)部類為什么能夠訪問外部類的成員？

定義內(nèi)部類如下：

使用javap命令進行反編譯。

編譯后得到Main.class Main$Inner.class兩個文件，反編譯Main$Inner.class文件如下：

可以看到，內(nèi)部類其實擁有外部類的一個引用，在構(gòu)造函數(shù)中將外部類的引用傳遞進來。

匿名內(nèi)部類為什么只能訪問局部的final變量？

其實可以這樣想，當方法執(zhí)行完畢后，局部變量的生命周期就結(jié)束了，而局部內(nèi)部類對象的生命周期可能還沒有結(jié)束，那么在局部內(nèi)部類中訪問局部變量就不可能了，所以將局部變量改為final，改變其生命周期。

編寫代碼如下：

這段代碼編譯為Main.class Main$1.class兩個文件，反編譯Main$1.class文件如下：

可以看到，java將編譯時已經(jīng)確定的值直接復制，進行替換，將無法確定的值放到了內(nèi)部類的常量池中，并在構(gòu)造函數(shù)中將其從常量池取出到字段中。

可以看出，java將局部變量m直接進行復制，所以其并不是原來的值，若在內(nèi)部類中將m更改，局部變量的m值不會變，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致，所以java就將其限制為final，使其不能進行更改，這樣數(shù)據(jù)不一致的問題就解決了。

參考文章

https://www.cnblogs.com/hujingnb/p/10181621.html

https://blog.csdn.net/codingtu/article/details/79336026

https://www.cnblogs.com/woshimrf/p/java-inner-class.html

https://www.cnblogs.com/dengchengchao/p/9713979.html

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