Java的变量存储

注：本文的描述针对beginner做了简化。

1. 非`static`的成员变量

我们通过下面的例子来简要说明Java是如何维护变量的。我们需要借助类与对象一节中使用的Cat类，

package animal;

public class Cat {

	// Cat的属性（成员变量）
	public int age = 0;
	public String name = "";
	public String owner = "";
	
}

创建一个包含main方法的类来使用Cat类，并定义其他类型的变量。(为了简洁起见，我们将变量定义在main函数里，这样并不影响我们理解Java维护变量的机制) 这里我们创建两个基本数据类型变量a，b，一个String类型的变量str，和三个Cat类的对象cat1, cat2, cat4；对应的内存图见Fig.1.

import animal.Cat;

public class JavaMemoryManagement {

	public static void main(String[] args) {
		int a = 3;
		double b = 2.1;

		String str = "Hello world";  

		Cat cat1 = new Cat();
		Cat cat2 = new Cat();
		Cat cat4;
		
		// 给cat1的属性赋值
		cat1.age = 3;
		cat1.name = "Ame";
		cat1.owner = "XU, Xiaoyan";
		
	}

}

堆stack和栈heap可简单理解为内存中两种不同的存储空间；
Java运行时，会在栈上创建一个变量表，用来记录所有运行过程中需要用到的变量；
对于 基本数据类型 int，double等，可以简单理解为Java把数据直接写在变量对应的栈中，如；（实际是分开存储，但是基本类型的数值还是存储在栈上，对应过程比较复杂，beginner没必要深究）
String类型变量：
- Java会在变量表中记录str变量;
- 为其赋值时，Java会在堆上开辟一个存储空间，写入值"Hello world"，并将str指向这个存储空间（str记录该存储空间的内存地址）;
- 使用str变量时，Java会按照其记录的内存地址（沿着箭头）找到堆上的数据，并使用；
Cat类生成的对象：
- Cat cat2 = new Cat();
  - 等号左边Cat cat2声明了一个Cat类型的变量，叫cat2；
  - 等号右边new Cat()在堆中开辟一个存储空间来存储这个新对象，用来存储cat2对象的实体；
  - 等号将变量表中的cat2指向上述开辟出来的内存空间;
  - cat2的所有属性均为初始值。
- cat1 的创建和使用过程:
  - Cat cat1 = new Cat()会在变量表中记录一个Cat类型的变量cat1，同时在堆上开辟一块内存空间来存储这个新对象，并将cat1指向这个内存空间；
  - 通过后续代码cat1.age = 3等给cat1的属性赋值，会修改cat1对应的对象的值。
- Cat cat4;
  - 这条语句只声明一个Cat类的变量，叫cat4（即在变量表中录入cat4）；
  - 因为没有new Cat()，Java不会给cat4开辟内存空间！因此cat4只有其名，未有其实，我们通常说cat4 is null;
  - 这种情况下，如果尝试使用cat4的属性或方法，例如cat4.age，系统会出错！

Fig. 1. Java内存管理的大致示意图

2. `static`成员变量和方法

如下代码中，我们给Cat类添加两个static成员变量：lifespan和species，和一个static的成员方法staticPrint().

public class Cat {

	// 属于Cat类的静态变量
	public static String species = "Animal";
	public static int lifespan = 20;

	// Cat类型的<对象>拥有的变量
	public int age = 0;
	public String name = "";
	public String owner = "";

	// 属于Cat类的静态方法
	public static void staticPrint(String something){
		System.out.println("staticPrint method of Cat: " + something);
	}

	// Cat类型的<对象>拥有的方法
	public void print(String something){
		System.out.println("Non-static print method of Cat: " + something);
	}

}

Static成员变量lifespan和species会被记录到一个特殊的metaspace类型的存储空间，他们有如下特性：

(1) static成员变量不属于任何对象！它只属于类；
(2) static成员变量在其作用范围内有全局变量的意味;
(3) static成员变量在程序运行期间会一直存在；
(4) 直接用类名.变量名使用static成员变量。

static的成员方法同样只属于类，不属于任何对象；可以直接用**类名.方法名(参数)**直接调用。

例. 在JavaMemoryManagement.java类里，使用Cat的lifespan和species变量，并调用Cat的staticPrint方法(传入参数"Hello Cat")。

public class JavaMemoryManagement {
	public static void main(String[] args) {

		//用Cat.lifespan调用 Cat的lifespan静态属性
		System.out.println("Cat's lifespan = " + Cat.lifespan);
		System.out.println("Cat belongs to " + Cat.species);

		// 用Cat.staticPrint()调用Cat的staticPrint静态方法，并传入参数
		Cat.staticPrint("Hello Cat");
	}
}

注：

静态方法只能调用静态变量和静态方法！
静态方法不能使用非静态的变量和方法！

例. 在下面的例子中，a为非static的类成员变量，print()是非静态的成员方法，尝试在static的main方法里引用a将会导致错误。

public class TestStatic {
	
	int a = 1;
	
	public static void main(String[] args) {
		int b = a + 1;  // 报错：静态的main无法引用非静态的成员变量a

		print(); // 报错：静态的main无法调用非静态的print()方法
	}

	public void print(){
		System.out.println("This is a non-static method.");
	}

}

提问：那么上述例子中，如果想要引用a变量和print()方法，该怎么办呢？

Java的变量存储

1. 非static的成员变量

2. static成员变量和方法

1. 非`static`的成员变量

2. `static`成员变量和方法