Why Java Sucks and C# Rocks（2）：基础类型与面向对象
2010-04-20 23:44 by 老赵, 12422 visits既然已经谈过这次语言比较的意义与目的，而完整的幻灯片和录音也已经放出，那么接下来自然是详细讨论了。在这篇文章中，我会对两个语言的基本特征进行简单描述，并主要讨论两者对于基础类型的处理方式。在我看来，Java语言对于基础类型的处理方式，并不如C#中值类型般妥当。如果您有任何觉得不妥或是想要补充的意见，请不吝回复。由于C# 1.0发布于2002年，因此本文内容将基于Java 1.4及C# 1.0的情况。
Java语言简单描述
Java既是一个完整的平台，也是一门语言。Java语言是1995年由James Gosling在Sun Microsystems公司设计，作为Java平台的组成部分之一的语言。Java平台除了语言之外，还有两个组成部分，虚拟机（JVM）和类库。不过在这一系列文章中，我会将关注里放在Java语言这个单独的方面，偶尔会谈到一点JVM，而对于类库方面则几乎不会涉及。
Java语言参考了C语言和C++的设计，因此在代码整体风格上与它们比较类似。不过与C++相比，Java语言设计的更为小巧，简单和可靠。Java的类型分为两种：类（class）和基本类型（primitive type），并没有C++中的struct和union类型。同时，Java还提供了boolean类型，并对布尔类型的定义和使用作出了限制。此外，Java中也不允许开发人员进行运算符重载，但提供如synchronize等进行并发控制的语言特性。
Java语言设计的一大目标是可靠性，因此在Java中，部分元素的抽象级别被提高了，例如数组在Java中是预定义类的实例，在C++中就不是。此外，例如在数组访问中会进行下标范围检测，同时也去除了指针等不安全的语言特性。虽然Java中的“引用”也有些“指针”的意味，但更为安全，例如程序员不可以对指针进行算术运算，这样便避免了一些容易出错的做法。
在面向对象类型系统的设计中，Java不允许C++中的多重继承，因为许多人认为多重继承所带了许多复杂性和混乱，可谓弊大于利。不过Java允许开发人员定义“接口”，即一种“契约”而不包含实现，这在一定程度上也可以带来部分多重继承的优点。
总体而言，Java语言去除了C++中大量的复杂或是不安全的特性，这使的Java成为了一门灵活而强大，同时又更为小巧，简单和可靠的语言。从现在的角度看，Java语言大大降低了C++本身所带来的复杂度，让编程工作变的更为简单，具有很高的历史意义。
C#语言简单描述
C#语言是Anders Hejlsberg为微软.NET平台设计的一门语言。与Java语言不同的是，C#的定位只是.NET平台上各种语言中的一种——尽管如此，从现在来看，.NET平台和Java平台虽然起步不同，但可谓殊途同归。与Java平台比较类似，.NET平台除了多种语言之外，也有对应的虚拟机（CLR）及基础类库（BCL）。
C#的语言设计同样是基于C和C++的，但是也包括了一些Delphi和VB的思想。许多人觉得Java语言相比C++的优越之处在于“简单”，不过似乎C#的设计人员认为Java语言简化的有些太过了，因此C#将指针（受到一定限制）、struct、enum、运算符重载及goto等语言特性包含在C#语言中。不过，C#的设计人员同时也改进了这些特性，例如C#中的enum类型不能同整数类型进行隐式转换。同样，在C#的struct中，我们也可以为它定义构造函数和成员，并可以实现接口。
C#中还提供了一种数据类型“委托（Delegate）”，它可以被视为是一种类型安全的函数指针。一个委托也是一个对象，它明确定义了函数的签名，可以用来保存一个包含了调用时所需的上下文的函数。在.NET程序中，一个回调函数往往会使用委托进行表示，而在Java中，则一般会使用接口。
C#还提供了一些方便开发的特性，例如foreach，using，以及使用params定义可变长数组等等。此外，C#还提供了事件（event）及属性（property）两种对象的成员类型。属性可以简单理解为带有读写器（也可以只读或只写）的字段。Java语言虽然不包含属性，但很早便形成了一个约定，会将getXyz/setXyz方法作为属性处理，许多开发工具和类库都会以这种方式进行处理。
C#语言的初衷是要成为优越于C++和Java的通用程序设计语言。经过多年的发展，C#在语言设计方面的确遥遥领先于Java语言，这也是我写这一系列文章的事实依据。
Java是个纯面向对象语言吗？
Java在诞生于面向对象理论在业界愈发普及和流行的时期（著名的GoF设计模式一书便出版于1994年），在当时Java声称自己是个“纯面向对象语言”，但事实果真如此吗？我不这么认为，因为有很明显的一点是，Java语言中的基础类型不是对象。
在Java中定义了一系列基础数据类型，例如int，double，boolean等等。这些类型不是对象，它们不包含成员，也不继承于公共基类Object，因此Java并不是一门纯面向对象语言。
不过，其实我关注的并不是“纯面向对象”这个称号，我更关注Java语言在设计时是如何对待这些类型的。从代码上看，这个特点的确造成了诸多不便：
ArrayList list = new ArrayList(); list.add(5); // cannot compile int i = (int)list.get(0); // cannot compile int hash = 3.hashCode(); // cannot compile
上面这行代码有三处会编译不通过。ArrayList是个用于保存Object类型对象的容器，可以存放任何类型的对象。不过由于int类型的数值5不是对象，因此它无法被添加到ArrayList中。同样，在通过get方法获取到一个Object类型的对象后，我们也无法将其转换成int类型。自然，int类型没有成员，因此我们也无法通过它调用定义在Object类型上的hashCode方法。
直至Java 1.4，开发人员都必须编写这样的代码：
ArrayList list = new ArrayList(); list.add(Integer.valueOf(5)); int i = ((Integer)list.get(0)).intValue(); int hash = Integer.valueOf(3).hashCode();
在Java类库中也为每个基础类型分别指定了封装类（wrapper class），当遇到一些需要和Object进行互操作的时候，便可以把基础类型包装为一个对象。这些对象继承于Object类型，自然能够被添加到ArrayList中，也拥有hashCode等定义在基类中的方法。只是，在获取到Object对象并转换成封装对象时，还需要调用对象上的某个方法（如上面的intValue方法）才能重新获取到基础类型。
C#中的值类型
在此期间微软发布了.NET平台和C#语言。在C#语言中并没有所谓的“基础类型”，或者说C#的“基础类型”是作为.NET中的struct类型统一对待的。在.NET框架中定义了一系列struct类型，如Int32，Boolean，Double等等，在C#语言中使用关键字int，bool，double与之对应，这便有了一些“基础类型”的意味。自然，在C#代码中我们也可以直接使用那些类型的名称，完全等价。
开发人员可以在程序中定义自己的struct类型，并包含构造函数，方法或是属性等等，并统一继承于ValueType类型（值类型），而ValueType也是统一基类Object的子类。因此，在C#中那些“基础类型”也拥有Object类及自己的成员，并可以直接应用在需要Object的地方（即隐式转换）。因此，在C#中我们可以直接编写这样的代码：
ArrayList list = new ArrayList(); list.Add(5); int i = (int)list[0]; int hash = 3.GetHashCode();
相信看了这几行代码您就能明白了。可以看出，在C#中，值类型和普通的类（也被称为引用类型）在使用上并没有任何区别。
当然，既然被称为“值类型”，它自然和普通的引用类型有所区别。首先，在.NET中值类型在赋值时是“整体拷贝”而引用类型只是复制一个引用。更重要的是，值类型是分配在方法的调用栈上，而引用类型则是分配在托管堆上。这意味着前者在当前方法退出后会被自动释放，而后者则必须等待GC运行时将无用的对象消除。
换句话说，值类型不会对GC造成压力（除非进行了装箱），这点很重要。在某些场景中，例如在并行计算时，假如每个线程临时对象创建地过于频繁，则可能导致GC频率加大。而GC在启动时会暂停运行中的所有线程，因此并行计算最终的瓶颈可能就落在了单线程的GC上——此时您投入再多的CPU等运算资源也无济于事。解决这个问题一般有两种办法，首先是启用并行GC，则为每个CPU分配一个独立的托管堆。在执行时，对象会分配在当前CPU的托管堆上，每个托管堆也有一个线程负责GC操作，这样GC能力也会随着计算能力加大而提高，因此不会成为性能瓶颈。另一种，有时候也可能是更为合适的做法，便是将创建的临时对象设定为值类型，这样一切便是在调用栈上的读写操作，便不会对GC造成压力。
在.NET平台中，一旦将一个值类型的对象用作引用类型时（即转化为Object类型或接口），运行时便会对它进行“装箱”：此时运行时会在堆上创建一个对象，并将值类型的内容复制到对象内部。将一个装箱后的对象转化为值类型时，则会将托管堆上的对象内容复制到方法的调用栈上，这便是所谓的“拆箱”。装箱和拆箱在.NET中是由运行时负责的，不需要特定的封装类，支持任意值类型。
在Java中，开发人员无法自定义值类型，因此所有的对象都是分配在托管堆上。不过这些倒也是和平台密切相关的内容，这里便只作一提吧，毕竟我们的目标主要还是在语言方面。
Java 1.5中的自动装箱/拆箱
Java语言基础类型和封装类型之间的这种转化方式，从1995年Java语言出现开始，一直保持到2004年Java 1.5出现才有所改变，将近十年时间。那么，Java语言究竟是因为缺少竞争对手而不思进取，还是因为没有比较就体会不到麻烦呢？无论怎样，我相信C#在这方面对Java语言产生的影响是毋庸置疑的。
不管怎么样，在Java 1.5中引入了一个新特性：自动装箱/拆箱（auto boxing/unboxing）。此时，我们便可以编写这样的代码了：
ArrayList list = new ArrayList(); list.add(5); // auto boxing int i = (Integer)list.get(0); // auto unboxing
在int值5用在Object参数的时候，Java语言的编译器将自动生成创建Integer对象的bytecode。同样，将Integer类型的对象赋值给基础类型int的时候，Java语言的编译器也会自动生成intValue等方法的调用。那么，它和C#中的装箱和拆箱有什么不同呢？自然，区别之一在于C#的装箱和拆箱是.NET平台已有的功能，C#编译器只要直接使用即可，而Java的自动装箱和拆箱完全是编译器的工作。但我倒认为，这个区别并不是我这里特别关注的。
毕竟我现在关注的是语言，也就是通过代码本身所表现出来的，尤其是可以体现出两种语言在设计理念上有所不同的区别。
如果我们仔细观察代码的话，就可以发现，Java编译器其实是将Integer对象与int值互转，例如在上面的第3行代码中，我们先将Object对象转化成Integer类型，然后再隐式地转化至int基本类型。而在C#中，int类型是直接和Object类型相互转化的。我认为，Java的这种做法，表示Java的设计者依然不希望开发人员将int等基本类型看作是一种对象，他们只是让编译器可以帮助开发人员少些一些代码而已。换句话说，Java的设计者认为，int可以看作是Integer对象，boolean是Boolean对象，但是int和boolean仍然是基础类型，而不是对象。
下面的这行代码可能更加能够直接说明这个问题：
int hash = 3.hashCode(); // cannot compile
在Java中，这行代码是无法编译通过的，因为Java编译器并不会将int自动视作Integer对象，基础类型在这里依然是基础类型，不是对象。
在之前的讨论过程中，有朋友说，Java在这里不做自动装箱，是因为要在bytecode层面上保持与之前兼容。我不同意这个说法，因为我想象不到实现如C#这样的自动装箱和拆箱会破坏bytecode的兼容性，Java编译器完全也可以在语言级别将int类型和Integer类型等同起来，所以在这方面我认为完全是语言设计理念上的区别。
说实话，我不喜欢Java的思路，我更认同C#这种更为“面向对象”的设计方式。
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