Java常用类之Object源码分析
一、概述
理论上Object类是所有类的父类，即直接或间接的继承java.lang.Object类。由于所有的类都继承在Object类，因此省略了extends Object关键字。
Object类属于java.lang包，此包下的所有类在使用时无需手动导入，系统会在程序编译期间自动导入。Object类是所有类的基类，当一个类没有直接继承某个类时，默认继承Object类，也就是说任何类都直接或间接继承此类，Object类中能访问的方法在所有类中都可以调用，下面我们会分别介绍Object类中的所有方法。
二、类
/**
* Class {@code Object} is the root of the class hierarchy.
* Every class has {@code Object} as a superclass. All objects,
* including arrays, implement the methods of this class.
*
* @author unascribed
* @see java.lang.Class
* @since JDK1.0
*/
public class Object {
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
public final native Class<?> getClass();
public native int hashCode();
public boolean equals(Object obj) {
return (this == obj);
}
protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
public String toString() {
return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}
public final native void notify();
public final native void notifyAll();
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
if (timeout < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
}
if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
throw new IllegalArgumentException(
"nanosecond timeout value out of range");
}
if (nanos > 0) {
timeout++;
}
wait(timeout);
}
public final void wait() throws InterruptedException {
wait(0);
}
protected void finalize() throws Throwable { }
}
三、源码分析
3.1 类构造器
我们知道类构造器是创建Java对象的途径之一，通过new关键字调用构造器完成对象的实例化，还能通过构造器对对象进行相应的初始化。一个类必须要有一个构造器的存在，如果没有显示声明，那么系统会默认创造一个无参构造器，在JDK的Object类源码中，是看不到构造器的，系统会自动添加一个无参构造器。
我们可以通过以下构造一个Object类的对象。
Object obj = new Object();
3.2 equals方法
通常很多面试题都会问equals()方法和==运算符的区别，==运算符用于比较基本类型的值是否相同，或者比较两个对象的引用是否相等，而equals用于比较两个对象是否相等，这样说可能比较宽泛，两个对象如何才是相等的呢？这个标尺该如何定？
我们可以看看Object类中的equals方法：
public boolean equals(Object obj) {
return (this == obj);
}
可以看到，在Object类中，==运算符和equals方法是等价的，都是比较两个对象的引用是否相等，从另一方面来讲，如果两个对象的引用相等，那么这两个对象一定是相等的。对于我们自定义的一个对象，如果不重写equals方法，那么在比较对象的时候就是调用Object类的equals方法，也就是用==运算符比较两个对象。我们可以看看String类中的重写的equals方法：
public boolean equals(Object anObject) {
if (this == anObject) {
return true;
}
if (anObject instanceof String) {
String anotherString = (String)anObject;
int n = value.length;
if (n == anotherString.value.length) {
char v1[] = value;
char v2[] = anotherString.value;
int i = 0;
while (n-- != 0) {
if (v1[i] != v2[i])
return false;
i++;
}
return true;
}
}
return false;
}
String是引用类型，比较时不能比较引用是否相等，重点是字符串的内容是否相等。所以String类定义两个对象相等的标准是字符串内容都相同。
在Java规范中，对equals方法的使用必须遵循以下几个原则：
- 自反性：对于任何非空引用值x，x.equals(x)都应返回true。
- 对称性：对于任何非空引用值x和y，当且仅当y.equals(x)返回true时，x.equals(y)才应返回true。
- 传递性：对于任何非空引用值x、y和z，如果x.equals(y)返回true，并且y.equals(z)返回true，那么x.equals(z)应返回true。
- 一致性：对于任何非空引用值x和y，多次调用x.equals(y)始终返回true或始终返回false，前提是对象上equals比较中所用的信息没有被修改
- 对于任何非空引用值x，x.equals(null)都应返回false。
下面我们自定义一个Person类，然后重写其equals方法，比较两个Person对象：
@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class Person {
private String pname;
private int page;
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj) {//引用相等那么两个对象当然相等
return true;
}
if (obj == null || !(obj instanceof Person)) {//对象为空或者不是Person类的实例
return false;
}
Person otherPerson = (Person)obj;
if (otherPerson.getPname().equals(this.getPname())
&& otherPerson.getPage() == this.getPage()) {
return true;
}
return false;
}
public static void main(String[] args) {
Person p1 = new Person("Tom", 21);
Person p2 = new Person("Marry", 20);
System.out.println(p1 == p2);//false
System.out.println(p1.equals(p2));//false
Person p3 = new Person("Tom", 21);
System.out.println(p1.equals(p3));//true
}
}
通过重写equals方法，我们自定义两个对象相等的标尺为Person对象的两个属性都相等，则对象相等，否则不相等。如果不重写equals方法，那么始终是调用Object类的equals方法，也就是用==比较两个对象在栈内存中的引用地址是否相等。
这时候有个Person类的子类Man，也重写了equals方法：
public class Man extends Person {
private String sex;
public Man(String pname, int page, String sex) {
super(pname, page);
this.sex = sex;
}
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (!super.equals(obj)) {
return false;
}
if (obj == null || !(obj instanceof Man)) {//对象为空或者不是Person类的实例
return false;
}
Man man = (Man) obj;
return sex.equals(man.sex);
}
public static void main(String[] args) {
Person p = new Person("Tom", 22);
Man m = new Man("Tom", 22, "男");
System.out.println(p.equals(m));//true
System.out.println(m.equals(p));//false
}
}
通过打印结果我们发现person.equals(man)得到的结果是true，而man.equals(person)得到的结果却是false，这显然是不正确的。
问题出现在instanceof关键字上，Man是Person的子类，person instanceof Man结果当然是false。这违反了我们上面说的对称性。
实际上用instanceof关键字是做不到对称性的要求的。这里推荐做法是用getClass()方法取代instanceof运算符。getClass()关键字也是Object类中的一个方法，作用是返回一个对象的运行时类，下面我们会详细讲解。
那么Person类中的equals方法为：
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj) {//引用相等那么两个对象当然相等
return true;
}
if (obj == null || (getClass() != obj.getClass())) {//对象为空或者不是Person类的实例
return false;
}
Person otherPerson = (Person)obj;
if (otherPerson.getPname().equals(this.getPname())
&& otherPerson.getPage() == this.getPage()) {
return true;
}
return false;
}
打印结果person.equals(man)得到的结果是false，man.equals(person)得到的结果也是false，满足对称性。
注意：使用getClass不是绝对的，要根据情况而定，毕竟定义对象是否相等的标准是由程序员自己定义的。而且使用getClass不符合多态的定义，比如AbstractSet抽象类，它有两个子类TreeSet和HashSet，他们分别使用不同的算法实现查找集合的操作，但无论集合采用哪种方式实现，都需要拥有对两个集合进行比较的功能，如果使用getClass实现equals方法的重写，那么就不能在两个不同子类的对象进行相等的比较。而且集合类比较特殊，其子类是不需要自定义相等的概念的。
所以什么时候使用instanceof运算符，什么时候使用getClass()有如下建议：
①、如果子类能够拥有自己的相等概念，则对称性需求将强制采用getClass进行检测。
②、如果有超类决定相等的概念，那么就可以使用instanceof进行检测，这样可以在不同的子类的对象之间进行相等的比较。
下面给出一个完美的equals方法的建议：
- 显示参数命名为
otherObject，稍后会将它转换成另一个叫做other的变量。 - 判断比较的两个对象引用是否相等，如果引用相等那么表示是同一个对象，那么当然相等。
- 如果
otherObject为null，直接返回false，表示不相等。 - 比较
this和otherObject是否是同一个类：如果equals的语义在每个子类中有所改变，就使用getClass检测；如果所有的子类都有统一的定义，那么使用instanceof检测。 - 将
otherObject转换成对应的类类型变量。 - 最后对对象的属性进行比较。使用==比较基本类型，使用
equals比较对象。如果都相等则返回true，否则返回false。注意如果是在子类中定义equals，则要包含super.equals(other)。
下面我们给出Person类中完整的equals方法的书写：
@Override
public boolean equals(Object otherObject) {
// 1. 判断比较的两个对象引用是否相等，如果引用相等那么表示是同一个对象，那么当然相等
if (this == otherObject) {
return true;
}
// 2. 如果otherObject为null，直接返回false，表示不相等
if (otherObject == null ) {//对象为空或者不是Person类的实例
return false;
}
// 3. 比较this和otherObject是否是同一个类（注意下面两个只能使用一种）
// 3.1：如果equals的语义在每个子类中所有改变，就使用getClass检测
if (this.getClass() != otherObject.getClass()) {
return false;
}
// 3.2：如果所有的子类都有统一的定义，那么使用instanceof检测
if (!(otherObject instanceof Person)) {
return false;
}
// 4. 将otherObject转换成对应的类类型变量
Person other = (Person) otherObject;
// 5. 最后对对象的属性进行比较。使用==比较基本类型，使用equals比较对象。如果都相等则返回true，否则返回false
// 使用Objects工具类的equals方法防止比较的两个对象有一个为null而报错，因为null.equals()是会抛异常的
return Objects.equals(this.pname, other.pname) && this.page == other.page;
// 6. 注意如果是在子类中定义equals，则要包含super.equals(other)
// return super.equals(other) && Objects.equals(this.pname, other.pname)
// && this.page == other.page;
}
请注意，无论何时重写此方法，通常都必须重写hashCode方法，以维护hashCode方法的一般约定，该方法声明相等对象必须具有相同的哈希代码。hashCode也是Object类中的方法，后面会详细讲解。
3.3 getClass方法
上面我们在介绍equals方法时，介绍如果equals的语义在每个子类中有所改变，那么使用getClass检测，为什么这样说呢？
getClass()在Object类中如下，作用是返回对象的运行时类。
| 1 | public final native Class getClass(); |
|---|
这是一个用native关键字修饰的方法，这里我们要知道用native修饰的方法我们不用考虑，由操作系统帮我们实现，该方法的作用是返回一个对象的运行时类，通过这个类对象我们可以获取该运行时类的相关属性和方法。也就是Java中的反射，各种通用的框架都是利用反射来实现的，这里我们不做详细的描述。
这里详细的介绍getClass方法返回的是一个对象的运行时类对象，这该怎么理解呢？Java中还有一种这样的用法，通过类名.class获取这个类的类对象，这两种用法有什么区别呢？
父类：Parent.class
public class Parent {}
子类：Son.class
public class Son extends Parent {}
测试：
@Test
public void testClass() {
Parent p = new Son();
System.out.println(p.getClass());
System.out.println(Parent.class);
}
打印结果：
class com.test.Son
class com.test.Parent
结论：class是一个类的属性，能获取该类编译时的类对象，而getClass()是一个类的方法，它是获取该类运行时的类对象。
还有一个需要大家注意的是，虽然Object类中getClass()方法声明是：public final native Class getClass();返回的是一个Class，但是如下是能通过编译的：
Class<? extends String> c = "".getClass();
也就是说类型为T的变量getClass方法的返回值类型其实是Class<? extends T>而非getClass方法声明中的Class<?>。
这在官方文档中也有说明：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Object.html#getClass--
3.4 hashCode方法
hashCode在Object类中定义如下：
public native int hashCode();
这也是一个用native声明的本地方法，作用是返回对象的散列码，是int类型的数值。
那么这个方法存在的意义是什么呢?
我们知道在Java中有几种集合类，比如List，Set，还有Map，List集合一般是存放的元素是有序可重复的，Set存放的元素则是无序不可重复的，而Map集合存放的是键值对。
前面我们说过判断一个元素是否相等可以通过equals方法，没增加一个元素，那么我们就通过equals方法判断集合中的每一个元素是否重复，但是如果集合中有10000个元素了，但我们新加入一个元素时，那就需要进行10000次equals方法的调用，这显然效率很低。
于是，Java的集合设计者就采用了哈希表来实现。哈希算法也称为散列算法，是将数据依特定算法产生的结果直接指定到一个地址上。这个结果就是由hashCode方法产生。这样一来，当集合要添加新的元素时，先调用这个元素的hashCode方法，就一下子能定位到它应该放置的物理位置上。
- 如果这个位置上没有元素，它就可以直接存储在这个位置上，不用再进行任何比较了；
- 如果这个位置上已经有元素了，就调用它的
equals方法与新元素进行比较，相同的话就不存了； - 不相同的话，也就是发生了
Hash key相同导致冲突的情况，那么就在这个Hash key的地方产生一个链表，将所有产生相同HashCode的对象放到这个单链表上去，串在一起(很少出现)。这样一来实际调用equals方法的次数就大大降低了，几乎只需要一两次。
这里有A,B,C,D四个对象，分别通过hashCode方法产生了三个值，注意A和B对象调用hashCode产生的值是相同的，即A.hashCode() = B.hashCode() = 0x001，发生了哈希冲突，这时候由于最先是插入了A，在插入的B的时候，我们发现B是要插入到A所在的位置，而A已经插入了，这时候就通过调用equals方法判断A和B是否相同，如果相同就不插入B，如果不同则将B插入到A后面的位置。所以对于equals方法和hashCode方法有如下要求：
3.4.1 hashCode要求
①、在程序运行时期间，只要对象的（字段的）变化不会影响equals方法的决策结果，那么，在这个期间，无论调用多少次hashCode，都必须返回同一个散列码。
②、通过equals调用返回true的2个对象的hashCode一定一样。
③、通过equals返回false的2个对象的散列码不需要不同，也就是他们的hashCode方法的返回值允许出现相同的情况。
因此我们可以得到如下推论：
- 两个对象相等，其
hashCode一定相同； - 两个对象不相等，其
hashCode有可能相同； hashCode相同的两个对象，不一定相等；hashCode不相同的两个对象，一定不相等；
这四个推论通过上图可以更好的理解。
可能会有人疑问，对于不能重复的集合，为什么不直接通过hashCode对于每个元素都产生唯一的值，如果重复就是相同的值，这样不就不需要调用equals方法来判断是否相同了吗？
实际上对于元素不是很多的情况下，直接通过hashCode产生唯一的索引值，通过这个索引值能直接找到元素，而且还能判断是否相同。比如数据库存储的数据，ID是有序排列的，我们能通过ID直接找到某个元素，如果新插入的元素ID已经有了，那就表示是重复数据，这是很完美的办法。但现实是存储的元素很难有这样的ID关键字，也就很难这种实现hashCode的唯一算法，再者就算能实现，但是产生的hashCode码是非常大的，这会大的超过Java所能表示的范围，很占内存空间，所以也是不予考虑的。
3.4.2 hashCode编写指导
①、不同对象的hash码应该尽量不同，避免hash冲突，也就是算法获得的元素要尽量均匀分布。
②、hash值是一个int类型，在Java中占用4个字节，也就是232次方，要避免溢出。
在JDK的Integer类，Float类，String类等都重写了hashCode方法，我们自定义对象也可以参考这些类来写。
下面是JDK String类的hashCode源码：
public int hashCode() {
int h = hash;
if (h == 0 && value.length > 0) {
char val[] = value;
for (int i = 0; i < value.length; i++) {
h = 31 * h + val[i];
}
hash = h;
}
return h;
}
再次提醒大家，对于Map集合，我们可以选取Java中的基本类型，还有引用类型String作为key，因为它们都按照规范重写了equals方法和hashCode方法。但是如果你用自定义对象作为key，那么一定要覆写equals方法和hashCode方法，不然会有意想不到的错误产生。
3.5 toString方法
该方法在JDK的源码如下：
public String toString() {
return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}
getClass().getName()是返回对象的全类名（包含包名），Integer.toHexString(hashCode())是以16进制无符号整数形式返回此哈希码的字符串表示形式。
打印某个对象时，默认是调用toString方法，比如System.out.println(person)，等价于System.out.println(person.toString())
3.6 notify/wait方法
这是用于多线程之间的通信方法，可以参考多线程。
3.7 finalize方法
protected void finalize() throws Throwable { }
该方法用于垃圾回收，一般由JVM自动调用，一般不需要程序员去手动调用该方法。
Java允许在类中定义一个名为finalize()的方法。它的工作原理是：一旦垃圾回收器准备好释放对象占用的存储空间，将首先调用其finalize()方法。并且在下一次垃圾回收动作发生时，才会真正回收对象占用的内存。
关于垃圾回收，有三点需要记住：
- 对象可能不被垃圾回收。只要程序没有濒临存储空间用完的那一刻，对象占用的空间就总也得不到释放。
- 垃圾回收并不等于“析构”。
- 垃圾回收只与内存有关。使用垃圾回收的唯一原因是为了回收程序不再使用的内存。
finalize()的用途：
无论对象是如何创建的，垃圾回收器都会负责释放对象占据的所有内存。这就将对finalize()的需求限制到一种特殊情况，即通过某种创建对象方式以外的方式为对象分配了存储空间。
不过这种情况一般发生在使用“本地方法”的情况下，本地方法是一种在Java中调用非Java代码的方式。
3.8 registerNatives方法
该方法在Object类中定义如下：
private static native void registerNatives();
这是一个native本地方法，想要调用操作系统的实现，必须还要装载本地库，但是我们发现在Object.class类中具有很多本地方法，但是却没有看到本地库的载入代码。而且这是用private关键字声明的，在类外面根本调用不了，我们接着往下看关于这个方法的类似源码：
static {
registerNatives();
}
看到上面的代码，这就明白了吧。静态代码块就是一个类在初始化过程中必定会执行的内容，所以在类加载的时候是会执行该方法的，通过该方法来注册本地方法。
3.9 clone方法
保护方法，实现对象的浅复制，只有实现了Cloneable接口才可以调用该方法，否则抛出CloneNotSupportedException异常。
主要是JAVA里除了8种基本类型传参数是值传递，其他的类对象传参数都是引用传递，我们有时候不希望在方法里讲参数改变，这是就需要在类中复写clone方法（实现深复制）。
protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
创建并返回此对象的一个副本。“副本”的准确含义可能依赖于对象的类。
3.9.1 clone与copy的区别
假设现在有一个Employee对象tobby，将值赋给cindyelf，如下：
Employee tobby = new Employee("CMTobby", 5000);
// 1. 赋值
Employee cindyelf = tobby;
// 2. clone
Employee cindy = tobby.clone();
这个时候只是简单了copy了一下reference，cindyelf和tobby都指向内存中同一个object，这样cindyelf或者tobby的一个操作都可能影响到对方。打个比方，如果我们通过cindyelf.raiseSalary()方法改变了salary域的值，那么tobby通过getSalary()方法得到的就是修改之后的salary域的值，显然这不是我们愿意看到的。
我们希望得到tobby的一个精确拷贝，同时两者互不影响，这时候我们就可以使用Clone来满足我们的需求。clone会生成一个新的Employee对象，并且和tobby具有相同的属性值和方法。
3.9.2 ShallowClone与DeepClone
Clone是如何完成的呢？Object在对某个对象实施Clone时对其是一无所知的，它仅仅是简单地执行域对域的copy，这就是Shallow Clone。这样，问题就来了咯。
以Employee为例，它里面有一个域hireDay不是基本数据类型的变量，而是一个reference变量，经过Clone之后就会产生一个新的Date型的reference，它和原始对象中对应的域指向同一个Date对象，这样克隆类就和原始类共享了一部分信息，而这样显然是不利的，过程下图所示：
这个时候我们就需要进行deep Clone了，对那些非基本型别的域进行特殊的处理，例如本例中的hireDay。我们可以重新定义Clone方法，对hireDay做特殊处理，如下代码所示：
class Employee implements Cloneable {
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
Employee cloned = (Employee) super.clone();
cloned.hireDay = (Date) hireDay.clone()
return cloned;
}
}
3.9.3 clone方法的保护机制
在Object中Clone()是被声明为protected的，这样做是有一定的道理的，以Employee类为例，通过声明为protected，就可以保证只有Employee类里面才能“克隆”Employee对象。
3.9.4 clone方法的使用
Clone()方法的使用比较简单，注意如下几点即可：
- 什么时候使用
shallow Clone，什么时候使用deep Clone，这个主要看具体对象的域是什么性质的，基本型别还是reference variable。 - 调用
Clone()方法的对象所属的类(Class)必须implements Cloneable接口，否则在调用Clone方法的时候会抛出CloneNotSupportedException。
四、拓展
4.1 为什么java.lang包下的类不需要手动导入？
不知道大家注意到没，我们在使用诸如Date类时，需要手动导入import java.util.Date，再比如使用File类时，也需要手动导入import java.io.File。但是我们在使用Object类，String类，Integer类等不需要手动导入，而能直接使用，这是为什么呢？
这里先告诉大家一个结论：使用java.lang包下的所有类，都不需要手动导入。
另外我们介绍一下Java中的两种导包形式，导包有两种方法：
- 单类型导入(
single-type-import)，例如：import java.util.Date。 - 按需类型导入(
type-import-on-demand)，例如：import java.util.*。
单类型导入比较好理解，我们编程所使用的各种工具默认都是按照单类型导包的，需要什么类便导入什么类，这种方式是导入指定的public类或者接口；
按需类型导入，比如import java.util.*，可能看到后面的*，大家会以为是导入java.util包下的所有类，其实并不是这样，我们根据名字按需导入要知道他是按照需求导入，并不是导入整个包下的所有类。
Java编译器会从启动目录(bootstrap)，扩展目录(extension)和用户类路径下去定位需要导入的类，而这些目录进仅仅是给出了类的顶层目录，编译器的类文件定位方法大致可以理解为如下公式：
| 1 | 顶层路径名 \ 包名 \ 文件名.class = 绝对路径 |
|---|
单类型导入我们知道包名和文件名，所以编译器可以一次性查找定位到所要的类文件。按需类型导入则比较复杂，编译器会把包名和文件名进行排列组合，然后对所有的可能性进行类文件查找定位。例如：
| 12345 | package com; import java.io.; import java.util.; |
|---|
如果我们文件中使用到了File类，那么编译器会根据如下几个步骤来进行查找File类：
- File // File类属于无名包，就是说File类没有package语句，编译器会首先搜索无名包
- com.File // File类属于当前包，就是我们当前编译类的包路径
- java.lang.File // 由于编译器会自动导入java.lang包，所以也会从该包下查找
- java.io.File
- java.util.File
- ...
需要注意的地方就是，编译器找到java.io.File类之后并不会停止下一步的寻找，而要把所有的可能性都查找完以确定是否有类导入冲突。假设此时的顶层路径有三个，那么编译器就会进行3*5=15次查找。
如果在查找完成后，编译器发现了两个同名的类，那么就会报错。要删除你不用的那个类，然后再编译。
所以我们可以得出这样的结论：按需类型导入是绝对不会降低Java代码的执行效率的，但会影响到Java代码的编译速度。所以我们在编码时最好是使用单类型导入，这样不仅能提高编译速度，也能避免命名冲突。
讲清楚Java的两种导包类型了，我们在回到为什么可以直接使用Object类，看到上面查找类文件的第③步，编译器会自动导入java.lang包，那么当然我们能直接使用了。至于原因，因为用的多，提前加载了，省资源。
