Нюансы объектов в Java

1. Свойства: геттер и сеттер

Когда большой проект разрабатывают десятки программистов одновременно, часто бывают проблемы с тем, что они по-разному относятся к данным, которые хранятся в полях класса.

Никто детально не изучает документацию по классам, или в ней могут быть не описаны все случаи, поэтому часто могут возникать ситуации, когда данные внутри объекта «портятся», и объект становится не валидным.

Чтобы избежать таких ситуаций, в Java принято все поля класса делать private. Только методы класса могут менять переменные класса, и никакие методы из других классов не имеют доступа к переменным класса напрямую. Вот так.

Если вы хотите, чтобы другие классы могли получать или менять данные внутри объектов вашего класса, вы должны добавить в код вашего класса два метода — get-метод и set-метод. Пример:

class Person
{
   private String name;

   public Person(String name)
   {
      this.name = name;
   }

   public String getName()
   {
      return name;
   }

   public void setName(String name)
   {
      this.name = name;
   }
}

Никакой другой класс не сможет изменить значение поля name напрямую. Если кому-то нужно получить значение поля name, ему придется вызвать метод getName() у объекта типа Person. Если какой-то код хочет поменять значение поля name, ему нужно будет вызвать метод setName() у объекта типа Person.

Метод getName() еще называют «геттер поля name», а  метод setName() — «сеттер поля name».

Это очень распространённый подход. В 80-90% всего Java кода вы никогда не увидите публичные переменные класса. Вместо этого они будут объявлены private (ну или protected), и у каждой переменной будут публичные геттеры и сеттеры.

Этот подход делает код длиннее, но надежнее.

Обращение к переменной класса напрямую — это как поворот через двойную сплошную: проще и быстрее, но если так будут делать все, то всем же будет от этого и хуже.

Допустим, вы хотите создать класс, который описывает точку на плоскости x и y. Вот как это сделал бы программист-новичок:

class Point
{
   public int x;
   public int y;
}

А вот как это бы сделал опытный Java-программист:

class Point {
 private int x;
 private int y;

   public Point(int x, int y) {
      this.x = x;
      this.y = y;
   }

   public int getX() {
      return x;
   }

   public void setX(int x) {
      this.x = x;
   }

   public int getY() {
      return y;
   }

   public void setY(int y) {
      this.y = y;
   }
}

Код стал длиннее? Безусловно.

Зато в сеттеры и геттеры можно добавить валидацию параметров. Например, можно следить за тем, чтобы x и y всегда были больше нуля (или не меньше нуля). Пример:

class Point {
   private int x;
   private int y;

   public Point(int x, int y) {
      this.x = x < 0 ? 0 : x;
      this.y = y < 0 ? 0 : y;
   }

   public int getX() {
      return x;
   }

   public void setX(int x) {
      this.x = x < 0 ?  0 : x;
   }

   public int getY() {
      return y;
   }

   public void setY(int y) {
      this.y = y < 0 ? 0 : y;
   }
}

2. Время жизни объекта

Вы уже знаете, что объекты создаются с помощью оператора new, а вот как объекты удаляются? Не существуют же они вечно — для этого никакой памяти не хватит.

Во многих языках программирования, таких как С++, для удаления объекта есть специальный оператор delete. А как ситуация с этим обстоит в Java?

В Java все устроено немного иначе, и оператора delete в Java нет. Значит ли это, что объекты в Java не удаляются? Нет, удаляются конечно же. Иначе в Java-приложениях быстро закончилась бы память, и ни о каких месяцах беспрерывной работы и речи бы не шло.

В Java процесс удаления объектов полностью автоматизирован – удалением объектов занимается сама Java-машина. Такой процесс называется сборкой мусора (garbage collecting), а механизм, который собирает мусор — сборщиком мусора — Garbage Collector или сокращенно GC.

Так как Java-машина узнает, что какой-то объект нужно удалить и когда?

Все объекты сборщик мусора делит на достижимые и недостижимые. Если на объект есть хотя бы одна ссылка, он считается достижимым. Если нет ни одной переменной, которая ссылается на объект, такой объект считается недостижимым и объявляется мусором: значит, его можно удалять.

В Java нельзя взять и создать ссылку на существующий объект: ее можно только присвоить. Если мы стерли все ссылки на объект, он утерян навсегда.

Циклические ссылки

Предыдущая логика звучит отлично, пока мы не придумаем простой контрпример: у нас есть два объекта, которые ссылаются друг на друга (хранят ссылки друг на друга). Больше никто никаких ссылок на эти объекты не хранит.

К этим объектам нельзя обратиться из остального кода, однако ссылки на них все же есть.

Именно поэтому сборщик мусора делит объекты не на «объекты со ссылками» и «объекты без ссылок», а на достижимые и недостижимые.

Достижимые объекты

Сначала в список достижимых добавляются те объекты, которые 100% живые. Например, текущий поток (Thread.current()) или Консоль (System.in).

Затем список достижимых объектов пополняют те, на которые ссылаются первые достижимые объекты. Затем те, на кого ссылаются вторые и т.д.

Таким образом, если есть некая группа объектов, которые ссылаются только друг на друга, но от достижимых объектов до них никак добраться нельзя, такие объекты будут считаться мусором и будут удалены.

3. Сборка мусора

Фрагментация памяти

Еще один важный момент, связанный с удалением объектов — фрагментация памяти. Если постоянно создавать и удалять объекты, скоро вся память будет вперемешку: области занятой памяти будут постоянно перемежаться пустыми областями.

И легко может случиться ситуация, когда мы не можем создать большой объект (например, массив на миллион элементов), потому что нет большого куска свободной памяти. Т.е. свободная память вроде и есть, и много, но вот большого цельного куска свободной памяти может и не быть

Оптимизация (дефрагментация) памяти

Java-машина решает эту проблему специфическим образом. Выглядит это примерно так:

Память делится на две части. Все объекты создаются (и удаляются) только в одной ее половине. Когда наступает время убрать дырки в памяти, все объекты из первой половины копируются во второю половину. Но копируются уже вплотную друг другу, чтобы дыр не было.

Выглядит этот процесс примерно так:

Этап 1: После создания объектов

Этап 2: Появление «дыр»

Этап 3: Устранение «дыр»

Таким образом, даже не нужно удалять объекты. Java-машина просто копирует все достижимые объекты в новое место, а всю область памяти со старыми объектами объявляет свободной.