63. Java 类和对象 - static 关键字

了解类成员：static 关键字

在 Java 中，static 关键字用于修饰字段和方法，使其成为类级别的成员，而非对象级别的成员。也就是说，被声明为 static 的成员与类本身绑定，无论创建多少个对象，它们都只有一份拷贝。这种特性使得 static 成为实现全局共享数据、工具方法以及常量的重要手段。

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1. 类变量（static 字段）

1.1 与实例变量的区别

• 实例变量：
  • 每个对象都有独立的实例变量副本，存储在各自的内存中。
  • 修改某个对象的实例变量只影响该对象，不会对其他对象产生影响。
• 类变量（static 字段）：
  • 整个类中只有一份存储空间，所有对象共享同一份数据。
  • 不管创建多少个该类的实例，类变量都只有一个，并且可以通过类名直接访问。

1.2 用法示例

下面的示例展示了如何使用 static 字段记录所有 Bicycle 对象的创建数量，同时为每个对象分配独一无二的 ID：

public class Bicycle {
    // 实例变量，每个对象各自拥有
    private int cadence;
    private int gear;
    private int speed;
    private int id;  

    // 类变量：所有 Bicycle 实例共享，记录创建的数量
    private static int numberOfBicycles = 0;

    public Bicycle(int startCadence, int startSpeed, int startGear) {
        this.cadence = startCadence;
        this.speed = startSpeed;
        this.gear = startGear;

        // 每创建一个新对象，计数加 1，并将计数赋值给该对象的 id
        id = ++numberOfBicycles;
    }
    
    public int getID() {
        return id;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Bicycle bike1 = new Bicycle(3, 100, 50);
    System.out.println(bike1.id);
    Bicycle bike2 = new Bicycle(2, 80, 40);
    System.out.println(bike2.id);
}

在这个示例中：

• numberOfBicycles 为 static 字段，记录了创建的 Bicycle 数量，全类仅有一份，所有实例共享该数据。
• 每个 Bicycle 对象都有自己的实例变量 id，用来区分不同对象。

1.3 访问类变量

• 推荐方式：使用 类名.类变量名 访问，例如：Bicycle.numberOfBicycles。这种方式能清晰地表明该变量是属于类的。
• 不推荐方式：通过对象引用访问，如 myBicycle.numberOfBicycles。这种方式容易让人误解为该变量是对象的专属属性，而非全局共享的。

System.out.println( Bicycle.numberOfBicycles);
System.out.println( bike1.numberOfBicycles);
System.out.println( bike2.numberOfBicycles);

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2. 类方法（static 方法）

2.1 与实例方法的区别

• 实例方法：
  • 属于对象，必须先创建对象后才能调用。
  • 调用方式：对象名.方法名()。
• 类方法（static 方法）：
  • 属于类本身，可以直接通过 类名.方法名() 调用。
  • 不依赖任何具体的对象实例。

2.2 用法示例

假设我们想获取当前创建的 Bicycle 数量，可以通过以下 static 方法实现：

public class Bicycle {
    // ...（其他成员同上）

    // 类方法：无需对象即可调用，用于获取创建的 Bicycle 数量
    public static int getNumberOfBicycles() {
        return numberOfBicycles;
    }
}

调用时只需使用：

int total = Bicycle.getNumberOfBicycles();

这样既直观又方便，无需先实例化对象。

2.3 注意事项：不能直接访问实例成员

由于 static 方法不属于任何具体对象，因此在方法体内无法直接使用实例变量或 this 关键字。例如：

public static void foo() {
    // 编译错误：不能使用 this 或直接访问实例变量
    // System.out.println(this.cadence);  
}

如果需要访问实例数据，必须通过已有对象引用来访问：

public static void printBicycleSpeed(Bicycle bicycle) {
    System.out.println("Speed: " + bicycle.speed);
}

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3. 常量（static final）

在 Java 中，使用 static final 修饰的变量被称为常量，其值在程序运行过程中不能改变。这些常量通常在类加载时就被初始化，并且全类共享。

3.1 示例

public class MathConstants {
    public static final double PI = 3.141592653589793;
    public static final int MAX_VALUE = 100;
}

• final 表示常量一经赋值就不能再修改。
• static 表示常量是全类共享的，无需创建对象即可访问。
• 常量命名通常使用全大写字母，并用下划线 _ 分隔单词，例如 MAX_SPEED、DEFAULT_CAPACITY。

3.2 编译时常量

当常量的值在编译时已知（如上述 PI），编译器可能会将代码中所有对该常量的引用直接替换为实际值，这样在性能上会更高效。但这也意味着若常量值修改，所有引用该常量的类都需要重新编译。

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4. 使用 static 的注意事项与最佳实践

1. 数据共享与全局状态：
   • 使用 static 字段可以方便地实现数据共享，例如计数器或全局配置信息。
   • 过度依赖 static 变量可能导致代码间的耦合度增加，从而使单元测试和维护变得困难。
2. 工具方法与辅助函数：
   • 很多工具类（如 java.lang.Math）中的方法都是 static 的，因为这些方法不依赖对象状态，只提供通用功能。
3. 线程安全：
   • 在多线程环境下使用 static 字段时要注意同步问题，因为多个线程可能同时访问和修改共享数据。
4. 避免误用：
   • 切记不要滥用 static。在设计时应仔细考虑某个方法或字段是否确实不依赖于对象状态，只有在确定其为全局共享的情况下再使用 static。

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5. 综合示例

以下示例整合了类变量、类方法、实例变量及常量的用法，展示了如何设计一个既能统计对象数量，又能提供工具方法的类：

public class Bicycle {
    // 实例变量，每个对象独有
    private int cadence;
    private int gear;
    private int speed;
    private int id;  

    // 类变量：所有 Bicycle 实例共享
    private static int numberOfBicycles = 0;
    
    // 类常量：不变的最大速度限制
    public static final int MAX_SPEED = 50;

    public Bicycle(int startCadence, int startSpeed, int startGear) {
        this.cadence = startCadence;
        this.speed = startSpeed;
        this.gear = startGear;
        // 对象计数自增
        id = ++numberOfBicycles;
    }
    
    public int getID() {
        return id;
    }
    
    // 类方法：返回已创建的 Bicycle 对象总数
    public static int getNumberOfBicycles() {
        return numberOfBicycles;
    }
    
    // 工具方法：判断给定速度是否超过最大速度限制
    public static boolean isSpeedLegal(int speed) {
        return speed <= MAX_SPEED;
    }
    
    // 实例方法：调整当前对象的速度
    public void changeSpeed(int delta) {
        int newSpeed = speed + delta;
        if (isSpeedLegal(newSpeed)) {
            speed = newSpeed;
        } else {
            System.out.println("超出允许的最大速度！");
        }
    }
}

在这个综合示例中：

• 使用 static 字段统计创建的 Bicycle 数量。
• 通过 static 方法获取对象数量或判断速度是否合法。
• 使用 static final 常量 MAX_SPEED 限制最大速度。
• 实例方法 changeSpeed 则根据对象当前状态进行操作，并利用工具方法进行判断。