十二、内部类

文章目录

  • 内部类
    • 3.1 静态内部类
    • 3.2 成员内部类
    • 3.3 方法内部类
    • 3.4 匿名内部类

内部类

本文为书籍《Java编程的逻辑》1和《剑指Java:核心原理与应用实践》2阅读笔记

类都对应于一个独立的Java源文件,但一个类还可以放在另一个类的内部,称之为内部类,相对而言,包含它的类称之为外部类。当一个事物(即一个类结构)的内部还包括另一个事物,即还有一个完整的类结构进行描述,而这个内部事物又只为外部事物提供服务,或者它的使用必须依赖外部类的结构,不能单独使用时,那么这个内部事物最好使用内部类表示。例如,人的身体和大脑。

一般而言,内部类与包含它的外部类有比较密切的关系,而与其他类关系不大,定义在类内部,可以实现对外部完全隐藏,可以有更好的封装性,代码实现上也往往更为简洁。不过,内部类只是Java编译器的概念,对于Java虚拟机而言,它是不知道内部类这回事的,每个内部类最后都会被编译为一个独立的类,生成一个独立的字节码文件。也就是说,每个内部类其实都可以被替换为一个独立的类。当然,这是单纯就技术实现而言。内部类可以方便地访问外部类的私有变量,可以声明为private从而实现对外完全隐藏,相关代码写在一起,写法也更为简洁,这些都是内部类的好处。

Java中,根据定义的位置和方式不同,主要有4种内部类。

  1. 静态内部类
  2. 成员内部类
  3. 方法内部类
  4. 匿名内部类

其中,方法内部类是在一个方法内定义和使用的;匿名内部类使用范围更小,它们都不能在外部使用;成员内部类和静态内部类可以被外部使用,不过它们都可以被声明为private,这样,外部就不能使用了。接下来,逐个介绍这些内部类的语法、实现原理以及使用场景。

3.1 静态内部类

静态内部类与静态变量和静态方法定义的位置一样,也带有static关键字,只是它定义的是类,下面介绍它的语法、实现原理和应用场景。我们看个静态内部类的例子,代码如下所示:

package com.ieening.learnInnerClass;

public class Outer {
    private static int shared = 100;

    public static class StaticInner {
        public void innerMethod() {
            System.out.println("inner " + shared);
        }
    }

    public void testStaticInner() {
        StaticInner staticInner = new StaticInner();
        staticInner.innerMethod();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Outer outer = new Outer();
        outer.testStaticInner();
    }
}

外部类为Outer,静态内部类为StaticInner,带有static修饰符。语法上,静态内部类除了位置放在其他类内部外,它与一个独立的类差别不大,可以有静态变量、静态方法、成员方法、成员变量、构造方法等。静态内部类与外部类的联系也不大(与其他内部类相比)。它可以访问外部类的静态变量和方法,如innerMethod直接访问shared变量,但不可以访问实例变量和方法。在类内部,可以直接使用内部静态类,如testStaticInner方法所示。

public静态内部类可以被外部使用,只是需要通过外部类.静态内部类的方式使用,如下所示:

Outer.StaticInner si = new Outer.StaticInner();
si.innerMethod();

静态内部类是怎么实现的呢?代码编译后实际上会生成两个类:一个是Outer,另一个是Outer$StaticInner,代码大概如下所示:

public class Outer {
    private static int shared = 100;
    public void test(){
        Outer$StaticInner si = new Outer$StaticInner();
        si.innerMethod();
    }
    static int access$0(){
        return shared;
    }
}

public class Outer$StaticInner {
    public void innerMethod() {
        System.out.println("inner " + Outer.access$0());
    }
}

如上代码所示,静态内部类示例的内部实现,内部类访问了外部类的一个私有静态变量shared,而我们知道私有变量是不能被类外部访问的,Java的解决方法是:自动为Outer生成一个非私有访问方法access$0,它返回这个私有静态变量shared。静态内部类的使用场景是很多的,如果它与外部类关系密切,且不依赖于外部类实例,则可以考虑定义为静态内部类。比如,一个类内部,如果既要计算最大值,又要计算最小值,可以在一次遍历中将最大值和最小值都计算出来,但怎么返回呢?可以定义一个类Pair,包括最大值和最小值,但Pair这个名字太普遍,而且它主要是类内部使用的,就可以定义为一个静态内部类。我们也可以看一些在Java API中使用静态内部类的例子:

  1. Integer类内部有一个私有静态内部类IntegerCache,用于支持整数的自动装箱。
  2. 表示链表的LinkedList类内部有一个私有静态内部类Node,表示链表中的每个节点。
  3. Character类内部有一个public静态内部类UnicodeBlock,用于表示一个Unicode block

3.2 成员内部类

与静态内部类相比,成员内部类没有static修饰符,少了一个static修饰符,含义有很大不同,下面我们详细讨论。我们看个成员内部类的例子,代码如下所示:

package com.ieening.learnInnerClass;

public class Outer {
    private int a = 101;

    public class InnerOuter {
        public void innerMethod() {
            System.out.println("outer a " + a);
            Outer.this.action();
        }
    }

    private void action() {
        System.out.println("action");
    }

    public void testInnerOuter() {
        InnerOuter inner = new InnerOuter();
        inner.innerMethod();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Outer.InnerOuter innerOuter = outer.new InnerOuter();
        innerOuter.innerMethod();
    }
}

InnerOuter就是成员内部类,与静态内部类不同,除了静态变量和方法,成员内部类还可以直接访问外部类的实例变量和方法,如innerMethod直接访问外部类私有实例变量a。成员内部类还可以通过``外部类.this.xxx的方式引用外部类的实例变量和方法,如Outer.this.action(),这种写法一般在重名的情况下使用,如果没有重名,那么外部类.this.是多余的。在外部类内,使用成员内部类与静态内部类是一样的,直接使用即可,如testInnerOuter`方法所示。

与静态内部类不同,成员内部类对象总是与一个外部类对象相连的,在外部使用时,它不能直接通过new Outer.InnerOuter的方式创建对象,而是要先将创建一个Outer类对象,代码如:Outer.InnerOuter innerOuter = outer.new InnerOuter();innerOuter.innerMethod();。创建内部类对象的语法是外部类对象.new 内部类()

与静态内部类不同,成员内部类中不可以定义静态变量和方法(final变量例外,它等同于常量),下面介绍的方法内部类和匿名内部类也都不可以。Java为什么要有这个规定呢?可以这么理解,这些内部类是与外部实例相连的,不应独立使用,而静态变量和方法作为类型的属性和方法,一般是独立使用的,在内部类中意义不大,而如果内部类确实需要静态变量和方法,那么也可以挪到外部类中。成员内部类背后是怎么实现的呢?代码如下所示:一个是Outer,另一个是Outer$InnerOuter,它们的代码如下所示。

public class Outer {
    private int a = 100;
    private void action() {
        System.out.println("action");
    }
    public void testInnerOuter() {
        Outer$InnerOuter inner = new Outer$InnerOuter(this);
        inner.innerMethod();
    }
    static int access$0(Outer outer) {
        return outer.a;
    }
    static void access$1(Outer outer) {
        outer.action();
    }
}
public class Outer$InnerOuter {
    final Outer outer;
    public Outer$InnerOuter(Outer outer){
        ths.outer = outer;
    }
    public void innerMethod() {
        System.out.println("outer a " + Outer.access$0(outer));
        Outer.access$1(outer);
    }
}

Outer$InnerOuter类有个实例变量outer指向外部类的对象,它在构造方法中被初始化,Outer在新建Outer$InnerOuter对象时给它传递当前对象,由于内部类访问了外部类的私有变量和方法,外部类Outer生成了两个非私有静态方法:access$0用于访问变量a, access$1用于访问方法action

成员内部类有哪些应用场景呢?如果内部类与外部类关系密切,需要访问外部类的实例变量或方法,则可以考虑定义为成员内部类。外部类的一些方法的返回值可能是某个接口,为了返回这个接口,外部类方法可能使用内部类实现这个接口,这个内部类可以被设为private,对外完全隐藏。比如,在Java API的类LinkedList中,它的两个方法listIteratordescendingIterator的返回值都是接口Iterator,调用者可以通过Iterator接口对链表遍历,listIteratordescendIngIterator内部分别使用了成员内部类ListIteratorDescendingIterator,这两个内部类都实现了接口Iterator

3.3 方法内部类

内部类还可以定义在一个方法体中。我们看个例子,代码如下所示。

public class Outer {
    private int a = 100;
    public void test(final int param){
        final String str = "hello";
        class Inner {
            public void innerMethod(){
                System.out.println("outer a " +a);
                System.out.println("param " +param);
                System.out.println("local var " +str);
            }
        }
        Inner inner = new Inner();
        inner.innerMethod();
    }
}

Inner定义在外部类方法test中,方法内部类只能在定义的方法内被使用。如果方法是实例方法,则除了静态变量和方法,内部类还可以直接访问外部类的实例变量和方法,如innerMethod直接访问了外部私有实例变量a。如果方法是静态方法,则方法内部类只能访问外部类的静态变量和方法。方法内部类还可以直接访问方法的参数和方法中的局部变量,不过,这些变量必须被声明为final,如innerMethod直接访问了方法参数param和局部变量str。方法内部类是怎么实现的呢?对于如下代码,系统生成的两个类代码:

public class Outer {
    private int a = 100;
    public void test(final int param) {
        final String str = "hello";
        OuterInner inner = new OuterInner(this, param);
        inner.innerMethod();
    }
    static int access$0(Outer outer){
        return outer.a;
    }
}
public class OuterInner {
    Outer outer;
    int param;
    OuterInner(Outer outer, int param){
        this.outer = outer;
        this.param = param;
    }
    public void innerMethod() {
        System.out.println("outer a " + Outer.access$0(this.outer));
        System.out.println("param " + param);
        System.out.println("local var " + "hello");
    }
}

与成员内部类类似,OuterInner类也有一个实例变量outer指向外部对象,在构造方法中被初始化,对外部私有实例变量的访问也是通过Outer添加的方法access$0来进行的。方法内部类可以访问方法中的参数和局部变量,这是通过在构造方法中传递参数来实现的,如OuterInner构造方法中有参数int param,在新建OuterInner对象时,Outer类将方法中的参数传递给了内部类,如OuterInner inner = newOuterInner(this, param);

在上面的代码中,String str并没有被作为参数传递,这是因为它被定义为了常量,在生成的代码中,可以直接使用它的值。这也解释了为什么方法内部类访问外部方法中的参数和局部变量时,这些变量必须被声明为final,因为实际上,方法内部类操作的并不是外部的变量,而是它自己的实例变量,只是这些变量的值和外部一样,对这些变量赋值,并不会改变外部的值,为避免混淆,所以干脆强制规定必须声明为final

如果的确需要修改外部的变量,那么可以将变量改为只含该变量的数组,修改数组中的值,代码如下所示:

public class Outer {
    public void test(){
        final String[] str = new String[]{"hello"};
          class Inner {
              public void innerMethod(){
                  str[0] = "hello world";
              }
          }
          Inner inner = new Inner();
          inner.innerMethod();
          System.out.println(str[0]);
      }
  }

str是一个只含一个元素的数组,方法内部类不能修改str本身,但可以修改它的数组元素。

通过前面介绍的语法和原理可以看出,方法内部类可以用成员内部类代替,至于方法参数,也可以作为参数传递给成员内部类。不过,如果类只在某个方法内被使用,使用方法内部类,可以实现更好的封装。

3.4 匿名内部类

与前面介绍的内部类不同,匿名内部类没有单独的类定义,它在创建对象的同时定义类,语法如下:

new 父类(参数列表) {
    //匿名内部类实现部分
}

或者

new 父接口() {
    //匿名内部类实现部分
}

匿名内部类是与new关联的,在创建对象的时候定义类,new后面是父类或者父接口,然后是圆括号(),里面可以是传递给父类构造方法的参数,最后是大括号{},里面是类的定义。

public class Outer {
    public void test(final int x, final int y){
        Point p = new Point(2,3){
            @Override
            public double distance() {
                return distance(new Point(x, y));
            }
        };
        System.out.println(p.distance());
}

创建Point对象的时候,定义了一个匿名内部类,这个类的父类是Point,创建对象的时候,给父类构造方法传递了参数 2 2 2 3 3 3,重写了distance方法,在方法中访问了外部方法final参数xy。匿名内部类只能被使用一次,用来创建一个对象。它没有名字,没有构造方法,但可以根据参数列表,调用对应的父类构造方法。它可以定义实例变量和方法,可以有初始化代码块,初始化代码块可以起到构造方法的作用,只是构造方法可以有多个,而初始化代码块只能有一份。因为没有构造方法,它自己无法接受参数,如果必须要参数,则应该使用其他内部类。与方法内部类一样,匿名内部类也可以访问外部类的所有变量和方法,可以访问方法中的final参数和局部变量。匿名内部类是怎么实现的呢?每个匿名内部类也都被生成为一个独立的类,只是类的名字以外部类加数字编号,没有有意义的名字。上述代码会生成两个类OuterOuter$1,代码如下所示:

public class Outer {
    public void test(final int x, final int y){
        Point p = new Outer$1(this,2,3, x, y);
        System.out.println(p.distance());
    }
}
public class Outer$1 extends Point {
    int x2;
    int y2;
    Outer outer;
    Outer$1(Outer outer, int x1, int y1, int x2, int y2){
        super(x1, y1);
        this.outer = outer;
        this.x2 = x2;
        this.y2 = y2;
    }
    @Override
    public double distance() {
        return distance(new Point(this.x2, y2));
    }
}

与方法内部类类似,外部实例this、方法参数xy都作为参数传递给了内部类构造方法。此外,new时的参数 2 2 2 3 3 3​也传递给了构造方法,内部类构造方法又将它们传递给了父类构造方法。匿名内部类能做的,方法内部类都能做。但如果对象只会创建一次,且不需要构造方法来接受参数,则可以使用匿名内部类,这样代码书写上更为简洁。

在调用方法时,很多方法需要一个接口参数,比如Arrays.sort方法,它可以接受一个数组,以及一个Comparator接口参数,Comparator有一个方法compare用于比较两个对象。比如,要对一个字符串数组不区分大小写排序,可以使用Arrays.sort方法,但需要传递一个实现了Comparator接口的对象,这时就可以使用匿名内部类,代码如下所示:

public void sortIgnoreCase(String[] strs){
    Arrays.sort(strs, new Comparator<String>() {
        @Override
        public int compare(String o1, String o2) {
            return o1.compareToIgnoreCase(o2);
        }
    });
}

Comparator后面的与泛型有关,表示比较的对象是字符串类型。匿名内部类还经常用于事件处理程序中,用于响应某个事件,比如一个Button,处理单击事件的代码可能类似如下:

Button bt = new Button();
bt.addActionListener(new ActionListener(){
    @Override
    public void actionPerformed(ActionEvent e) {
        //处理事件
    }
});

调用addActionListener将事件处理程序注册到了Button对象bt中,当事件发生时,会调用actionPerformed方法,并传递事件详情ActionEvent作为参数。以上Arrays.sortButton都是针对接口编程的例子,另外,它们也都是一种回调的例子。所谓回调是相对于一般的正向调用而言的,平时一般都是正向调用,但Arrays.sort中传递的Comparator对象,它的compare方法并不是在写代码的时候被调用的,而是在Arrays. sort的内部某个地方回过头来调用的。ButtonaddActionListener中传递的ActionListener对象,它的actionPerformed方法也一样,是在事件发生的时候回过头来调用的。将程序分为保持不变的主体框架,和针对具体情况的可变逻辑,通过回调的方式进行协作,是计算机程序的一种常用实践。匿名内部类是实现回调接口的一种简便方式。

内部类本质上都会被转换为独立的类,但一般而言,它们可以实现更好的封装,代码实现上也更为简洁。


  1. 马俊昌.Java编程的逻辑[M].北京:机械工业出版社,2018. ↩︎

  2. 尚硅谷教育.剑指Java:核心原理与应用实践[M].北京:电子工业出版社,2023. ↩︎

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