Классы и объекты в Java

Класс в Java — это шаблон (описание), по которому создаются объекты. Объект — это конкретный экземпляр класса, созданный оператором new и занимающий собственную память. Класс пишется один раз, объектов по нему можно создать сколько угодно, и у каждого будет свой набор значений полей.

1. Что такое объект и класс в Java

Класс определяет структуру и поведение, общие для набора объектов. Класс содержит переменные (поля) и методы — их называют членами класса, или элементами класса. Именно класс составляет основу инкапсуляции в Java: данные и работающий с ними код объединены в одной сущности.

Объект (экземпляр класса) получает всю структуру и поведение, описанные в классе. Каждый объект хранит собственную копию полей, поэтому два объекта одного класса могут иметь разные значения.

Методы описывают, что объект умеет делать или что можно с ним сделать. Поля (переменные экземпляра) описывают свойства и характеристики объекта.

Рассмотрим картинку ниже. Объявлен класс Student, у которого есть поля name и id, а также методы setName() и setId() для установки этих значений. На основе этого класса созданы объекты: Anna, Leo, Sara, Max. У каждого объекта, то есть у каждого студента, есть name и id, но значения у них разные.

Чем класс отличается от объекта: таблица

Бытовая аналогия: класс — это чертёж дома, объект — построенный по чертежу дом. По одному чертежу можно построить сто домов, и цвет стен у каждого будет свой.

2. Как создать класс в Java

Упрощённая общая форма определения класса:

class ИмяКласса {
       тип переменнаяЭкземпляра1;
       тип переменнаяЭкземпляра2;
         // ...
       тип переменнаяЭкземпляраN;

       тип имяМетода1(список параметров) {
         // тело метода
       }

       тип имяМетода2(список параметров) {
         // тело метода
       }
       …
       тип имяМетодаN(список параметров) {
        // тело метода
       }
}

После ключевого слова class пишется имя класса. В теле класса объявляются поля и методы. Их может быть сколько угодно, порядок объявления значения не имеет.

Опишем класс для объекта Box (коробка). У коробки есть три главные характеристики: ширина, высота и глубина. Сохраните этот класс в отдельном файле Box.java — имя public-класса обязано совпадать с именем файла:

public class Box {
    double width;
    double height;
    double depth;
}

3. Создание объекта: оператор new

Объявление класса создаёт только шаблон, но не конкретный объект. Чтобы создать объект класса Box, используется оператор new:

Box myBox = new Box();

При создании экземпляра класса появляется объект, который содержит собственную копию каждой переменной экземпляра, определённой в данном классе.

Создание объекта класса представляет собой двухэтапный процесс:

1. Объявление переменной типа класса. Эта переменная ещё не содержит объект. Она лишь может ссылаться на объект:

   Box myBox;

2. Создание объекта оператором new. Динамически (то есть во время выполнения) резервируется память под объект и возвращается ссылка на него:

   myBox = new Box();

Сам объект размещается в области памяти под названием куча (heap), а переменная myBox хранит только ссылку на него. Как устроена память JVM, разобрано в уроке структура памяти.

Круглые скобки в new Box() — это вызов конструктора. Если в классе не написан ни один конструктор, компилятор добавляет конструктор без параметров автоматически.

Сразу после создания объекта всем его полям присваиваются значения по умолчанию для их типа: 0 для чисел, false для boolean, null для ссылочных типов. Чтобы прочитать или изменить поле, используется имя переменной, точка и имя поля:

public class BoxExample1 {
    public static void main(String[] args) {
        Box myBox = new Box();
        // присвоить значения полям объекта myBox
        myBox.width = 10;
        myBox.height = 20;
        myBox.depth = 15;
        // рассчитать объем параллелепипеда
        double volume = myBox.width * myBox.height * myBox.depth;
        System.out.println("Объем равен " + volume);
    }
}

Объем равен 3000.0

В следующем примере объявляются два объекта класса Box, и каждому устанавливаются свои значения. Изменения полей одного объекта не влияют на поля другого:

public class BoxExample7 {
    public static void main(String[] args) {
        Box myBox1 = new Box();
        Box myBox2 = new Box();
        double volume;
        // присвоить значения полям объекта myBox1
        myBox1.width = 10;
        myBox1.height = 20;
        myBox1.depth = 15;
        // присвоить другие значения полям объекта myBox2
        myBox2.width = 3;
        myBox2.height = 6;
        myBox2.depth = 9;
        // рассчитать объем первой коробки
        volume = myBox1.width * myBox1.height * myBox1.depth;
        System.out.println("Объем myBox1 равен " + volume);
        // рассчитать объем второй коробки
        volume = myBox2.width * myBox2.height * myBox2.depth;
        System.out.println("Объем myBox2 равен " + volume);
    }
}

Объем myBox1 равен 3000.0
Объем myBox2 равен 162.0

4. Присваивание переменным ссылок на объекты

Возможна ситуация, когда две переменные указывают на один и тот же объект в памяти:

Разберём, как это происходит. При объявлении переменной b1 создаётся новый объект в памяти. При объявлении переменной b2 новый объект не создаётся — переменной присваивается ссылка на тот же объект, что и у b1. Далее объекту, на который указывает b1, присваиваются значения 10, 20 и 15. А ширине объекта, на который указывает b2, присваивается значение 3:

public class BoxExample6 {
    public static void main(String[] args) {
        Box b1 = new Box();
        Box b2 = b1;

        b1.width = 10;
        b1.height = 20;
        b1.depth = 15;

        b2.width = 3;

        System.out.println("Width: " + b1.width);
        System.out.println("Width: " + b2.width);
    }
}

Обе переменные указывают на один и тот же объект, поэтому результат выполнения программы будет таким:

Width: 3.0
Width: 3.0

Когда две переменные ссылаются на один объект, изменение через любую из них видно через обе. Важно понимать: b2 = b1 копирует ссылку, а не сам объект. Чтобы получить независимую копию, объект нужно создать заново или клонировать.

5. Добавляем методы в класс

Кроме полей класс может содержать методы, которые позволяют скрыть детали реализации и избежать дублирования кода. Добавим в класс Box два метода: getVolume() — для вычисления объёма коробки и setDim() — для установки размеров. Обратите внимание: методы объявлены нестатическими (без ключевого слова static), поэтому внутри них доступны поля конкретного объекта.

public class Box {
    double width;
    double height;
    double depth;

    /**
     * Подсчитать объем коробки
     *
     * @return Объем
     */
    double getVolume() {
        return width * height * depth;
    }

    /**
     * Установить размер коробки
     *
     * @param w - ширина
     * @param h - высота
     * @param d - глубина
     */
    void setDim(double w, double h, double d) {
        width = w;
        height = h;
        depth = d;
    }
}

В следующей программе создаются два объекта класса Box. Вместо того чтобы присваивать значения каждому полю напрямую, вызывается метод setDim(), куда передаются ширина, высота и глубина. Программа становится компактнее. Нестатический метод всегда вызывается для конкретного объекта, поэтому объём считаем отдельно для каждой коробки:

public class BoxExample2 {
    public static void main(String[] args) {
        Box myBox1 = new Box();
        Box myBox2 = new Box();

        myBox1.setDim(10, 20, 15);
        myBox2.setDim(1, 5, 5);

        System.out.println("Объем: " + myBox1.getVolume());
        System.out.println("Объем: " + myBox2.getVolume());
    }
}

Объем: 3000.0
Объем: 25.0

Внутри метода setDim() параметры названы w, h, d, чтобы не совпадать с именами полей. Если назвать параметры так же, как поля (width, height, depth), понадобится ключевое слово this: this.width = width;.

6. Класс Object — общий предок всех классов

Класс Box написан «с нуля» и ничего не наследует явно. Тем не менее у его объектов уже есть методы: любой класс в Java неявно наследуется от класса java.lang.Object. Запись class Box {} компилятор понимает как class Box extends Object {}.

Поэтому у объекта myBox сразу доступны методы класса Object. Самые востребованные:

• toString() — строковое представление объекта. По умолчанию возвращает что-то вроде Box@1b6d3586 (имя класса и хеш-код в шестнадцатеричном виде).
• equals(Object obj) — сравнение объектов. По умолчанию сравнивает ссылки, то есть работает так же, как ==.
• hashCode() — целочисленный хеш-код, нужен для работы HashMap и HashSet.
• getClass() — возвращает объект Class с информацией о типе во время выполнения.
• clone(), а также wait(), notify(), notifyAll() для работы с потоками.

Box myBox = new Box();
System.out.println(myBox);                  // Box@1b6d3586 - вызвался toString()
System.out.println(myBox.getClass());       // class Box
System.out.println(myBox.equals(myBox));    // true

Методы toString(), equals() и hashCode() почти всегда переопределяют в своих классах. Подробный разбор — в уроке класс Object.

7. Где чаще всего ошибаются новички

• Обращение к полю без создания объекта. Строка Box myBox; объявляет только ссылку. Попытка выполнить myBox.width = 10; без new приведёт к ошибке компиляции (переменная не инициализирована) либо, если ссылке присвоен null, к NullPointerException во время выполнения.
• Сравнение объектов через ==. Оператор == сравнивает ссылки, а не содержимое. Два разных объекта с одинаковыми полями дадут false. Для сравнения по значению используйте equals().
• Путаница между копией ссылки и копией объекта. Box b2 = b1; не создаёт вторую коробку, оба имени указывают на одну.
• Вызов нестатического метода из main напрямую. Метод getVolume() принадлежит объекту, поэтому вызывается как myBox.getVolume(). Без объекта его вызвать нельзя — будет ошибка «non-static method cannot be referenced from a static context».
• Имя файла не совпадает с именем public-класса. Класс public class Box обязан лежать в файле Box.java, иначе компилятор выдаст ошибку.

Закрепить материал помогут задачи по ООП в Java.