对象导论:对象的创建和生命期

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在使用对象时,最关键的问题之一便是他们的生成和销毁方式。每个对象为了生存都需要资源,尤其是内存。当我们不再需要一个对象时,它必须被清理掉,使其占有的资源可以被释放和重用。在相对简单的编程情况下,怎样清理对象看起来似乎不是什么挑战:你创建了对象,根据需要使用它,然后它应该被销毁。然而,你很有可能会遇到相对复杂的情况。

例如,假设你正在为某个机场设计空中交通管理系统(同样的模型在仓库货柜管理系统、录像带出租系统或宠物寄宿店也适用)。一开始问题似乎很简单:创建一个容器来保存所有的飞机,然后为每一架进入空中交通控制区域的飞机创建一个新的飞机对象,并将其置于容器中。对于清理工作,只需在飞机离开此区域时删除相关的对象进行操作。

现在问题变得更困难了:怎样才能知道何时销毁这些对象呢?当处理完某个对象之后,系统某个其他部分可能还在处理它。在其他许多场合中也会遇到同样的问题,在必须明确删除对象的编程系统中,此问题会变得十分复杂。

对象的数据位于何处?怎样控制对象的生命周期?C++认为效率控制是最重要的议题,所以给程序员提供了选择的权利。为了追求最大的执行速度,对象的存储空间和生命周期可以在编写程序时确定,这可以通过将对象置于堆栈或静态存储区域内来实现。这种方式将存储空间分配和释放置于优先考虑的位置,某些情况下这样控制非常有价值。但是,也牺牲了灵活性。如果试图解决更一般化的问题,例如计算机辅助设计、仓库管理或者空中交通控制,这种方式就显得过于受限了。

第二种方式是在被称为堆的内存池中动态地创建对象。在这种方式中,直到运行时才知道需要多少对象,它们的生命周期如何,以及它们的具体类型是什么。这些问题的答案只能在程序运行时相关代码被执行到那一刻才能确定。如果需要一个新对象,可以在需要的时刻直接在堆中创建。因为存储空间是在运行时被动态管理的,所以需要大量的时间在堆中分配存储空间,这可能要远远大于在堆栈中创建存储空间的时间。在堆栈中创建存储空间和释放存储空间通常各需要一条汇编指令即可,分别对应将栈顶指针向下移动和将栈顶指针向上移动。创建堆存储空间的时间依赖于存储机制的设计。

动态方式有这样一个一般性的逻辑假设:对象趋向于变得复杂,所以查找和释放存储空间的开销不会对对象的创建造成重大冲击。动态方式所带来的更大的灵活性正是解决一般化编程问题的要点所在。

Java完全采用了动态内存分配方式。每当想要创建新对象时,就要使用new关键字来构建此对象的动态实例。还有一个议题,就是对象生命周期。对于允许在堆栈上创建对象的语言,编译器可以确定对象存活的时间,并可以自动销毁它。然而,如果是在堆上创建对象,编译器就会对它的生命周期一无所知。在像C++这样的语言中,必须通过编程方式来确定何时销毁对象,这可能会因为不能正确处理而导致内存泄露。Java提供了被称为“垃圾回收器”的机制,它可以自动发现对象何时不再被使用,并继而销毁它。垃圾回收器非常有用,因为它减少了所必须考虑的议题和必须编写的代码。更重要的是,垃圾回收器提供了更高层的保障,暗藏的内存泄露问题,这个问题已经使许多C++项目折戟沉沙。

Java的垃圾回收器被设计用来处理内存释放问题。垃圾回收器知道对象何时不再被使用,并自动释放对象占用的内存。这一点同所有对象都是继承自单根基类Object以及只能以一种方式创建对象这两个特性结合起来,使得用Java编程的过程较之用C++编程要简单得多,所要做出的决策和要克服的障碍也要少的多。

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