内部类为什么可以访问外部类的成员

内部类简介

虽然Java是一门相对比较简单的编程语言,但是对于初学者, 还是有很多东西感觉云里雾里, 理解的不是很清晰。内部类就是一个经常让初学者感到迷惑的特性。 即使现在我自认为Java学的不错了, 但是依然不是很清楚。其中一个疑惑就是为什么内部类对象可以访问外部类对象中的成员(包括成员变量和成员方法)? 早就想对内部类这个特性一探究竟了,今天终于抽出时间把它研究了一下。

内部类就是定义在一个类内部的类。定义在类内部的类有两种情况:一种是被static关键字修饰的, 叫做静态内部类, 另一种是不被static关键字修饰的, 就是普通内部类。 在下文中所提到的内部类都是指这种不被static关键字修饰的普通内部类。 静态内部类虽然也定义在外部类的里面, 但是它只是在形式上(写法上)和外部类有关系, 其实在逻辑上和外部类并没有直接的关系。而一般的内部类,不仅在形式上和外部类有关系(写在外部类的里面), 在逻辑上也和外部类有联系。 这种逻辑上的关系可以总结为以下两点:

1 内部类对象的创建依赖于外部类对象;

2 内部类对象持有指向外部类对象的引用。

上边的第二条可以解释为什么在内部类中可以访问外部类的成员。就是因为内部类对象持有外部类对象的引用。但是我们不禁要问, 为什么会持有这个引用? 接着向下看, 答案在后面。

通过反编译字节码获得答案

在源代码层面, 我们无法看到原因,因为Java为了语法的简介, 省略了很多该写的东西, 也就是说很多东西本来应该在源代码中写出, 但是为了简介起见, 不必在源码中写出,编译器在编译时会加上一些代码。 现在我们就看看Java的编译器为我们加上了什么?

首先建一个工程TestInnerClass用于测试。 在该工程中为了简单起见, 没有创建包, 所以源代码直接在默认包中。在该工程中, 只有下面一个简单的文件。

public class Outer {
    int outerField = 0;
     
    class Inner{
        void InnerMethod(){
            int i = outerField;
        }
    }
}

该文件很简单, 就不用过多介绍了。 在外部类Outer中定义了内部类Inner, 并且在Inner的方法中访问了Outer的成员变量outerField。
虽然这两个类写在同一个文件中, 但是编译完成后, 还是生成各自的class文件:
Outer$Inner.class和Outer.class

这里我们的目的是探究内部类的行为, 所以只反编译内部类的class文件Outer$Inner.class 。 在命令行中, 切换到工程的bin目录, 输入以下命令反编译这个类文件:

javap -classpath . -v Outer$Inner

-classpath . 说明在当前目录下寻找要反编译的class文件-v 加上这个参数输出的信息比较全面。包括常量池和方法内的局部变量表, 行号, 访问标志等等。
注意, 如果有包名的话, 要写class文件的全限定名, 如:

javap -classpath . -v com.baidu.Outer$Inner

反编译的输出结果很多, 为了篇幅考虑, 在这里我们省略了常量池。 下面给出除了常量池之外的输出信息。

{
  final Outer this$0;
    flags: ACC_FINAL, ACC_SYNTHETIC
 
 
  Outer$Inner(Outer);
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: putfield      #10                 // Field this$0:LOuter;
         5: aload_0
         6: invokespecial #12                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
         9: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0      10     0  this   LOuter$Inner;
 
  void InnerMethod();
    flags:
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #10                 // Field this$0:LOuter;
         4: getfield      #20                 // Field Outer.outerField:I
         7: istore_1
         8: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 8: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
               0       9     0  this   LOuter$Inner;
               8       1     1     i   I
}</init>

首先我们会看到, 第一行的信息如下:final Outer this0; 这句话的意思是, 在内部类OuterInner中, 存在一个名字为this$0 , 类型为Outer的成员变量, 并且这个变量是final的。 其实这个就是所谓的“在内部类对象中存在的指向外部类对象的引用”。但是我们在定义这个内部类的时候, 并没有声明它, 所以这个成员变量是编译器加上的。
虽然编译器在创建内部类时为它加上了一个指向外部类的引用, 但是这个引用是怎样赋值的呢?毕竟必须先给他赋值, 它才能指向外部类对象。 下面我们把注意力转移到构造函数上。 下面这段输出是关于构造函数的信息。

Outer$Inner(Outer);
  flags:
  Code:
    stack=2, locals=2, args_size=2
       0: aload_0
       1: aload_1
       2: putfield      #10                 // Field this$0:LOuter;
       5: aload_0
       6: invokespecial #12                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
       9: return
    LineNumberTable:
      line 5: 0
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
             0      10     0  this   LOuter$Inner;</init>

我们知道, 如果在一个类中, 不声明构造方法的话, 编译器会默认添加一个无参数的构造方法。 但是这句话在这里就行不通了, 因为我们明明看到, 这个构造函数有一个构造方法, 并且类型为Outer。 所以说,编译器会为内部类的构造方法添加一个参数, 参数的类型就是外部类的类型。
下面我们看看在构造参数中如何使用这个默认添加的参数。 我们来分析一下构造方法的字节码。 下面是每行字节码的意义:
aload_0 : 将局部变量表中的第一个引用变量加载到操作数栈。 这里有几点需要说明。 局部变量表中的变量在方法执行前就已经初始化完成;局部变量表中的变量包括方法的参数;成员方法的局部变量表中的第一个变量永远是this;操作数栈就是执行当前代码的栈。所以这句话的意思是: 将this引用从局部变量表加载到操作数栈。

aload_1:
将局部变量表中的第二个引用变量加载到操作数栈。 这里加载的变量就是构造方法中的Outer类型的参数。
putfield #10 // Field this0:LOuter; 使用操作数栈顶端的引用变量为指定的成员变量赋值。 这里的意思是将外面传入的Outer类型的参数赋给成员变量this0 。 这一句putfield字节码就揭示了, 指向外部类对象的这个引用变量是如何赋值的。

总结

文章写到这里, 相信读者对整个原理就会有一个清晰的认识了。 下面做一下总结:
本文通过反编译内部类的字节码, 说明了内部类是如何访问外部类对象的成员的,除此之外, 我们也对编译器的行为有了一些了解, 编译器在编译时会自动加上一些逻辑, 这正是我们感觉困惑的原因。
关于内部类如何访问外部类的成员, 分析之后其实也很简单, 主要是通过以下几步做到的:
1 编译器自动为内部类添加一个成员变量, 这个成员变量的类型和外部类的类型相同, 这个成员变量就是指向外部类对象的引用;
2 编译器自动为内部类的构造方法添加一个参数, 参数的类型是外部类的类型, 在构造方法内部使用这个参数为1中添加的成员变量赋值;
3 在调用内部类的构造函数初始化内部类对象时, 会默认传入外部类的引用。

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