Kahdenlaisia muuttujia: Alkeis- ja viittaustyyppiset muuttujat

Javan muuttujat jaetaan alkeis- ja viittaustyyppisiin muuttujiin. Ohjelmoijan näkökulmasta alkeistyyppisten muuttujien tieto on tallennettu muuttujan arvoksi, kun taas viittaustyyppisten muuttujien arvona on viite muuttujaan liittyvään tietoon. Viittaustyyppiset muuttujat ovat Java-kielessä käytännössä aina olioita. Tarkastellaan näitä muuttujatyyppejä kahden esimerkin kautta.

int arvo = 10;
System.out.println(arvo);

public Nimi {
    private String nimi;

    public Nimi(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }
}

Nimi leevi = new Nimi("Leevi");
System.out.println(leevi);

Ensimmäisessä esimerkissä luodaan alkeistyyppinen int-muuttuja, jonka arvoksi kopioidaan luku 10. Kun muuttuja annetaan System.out.println-metodille tulostettavaksi, tulostuu arvo 10. Toisessa esimerkissä luodaan viittaustyyppinen leevi-niminen muuttuja, jonka arvoksi kopioidaan Nimi-luokassa määritellyn konstruktorin kutsun palauttama viite olioon. Kun muuttuja tulostetaan, tulostuu merkkijono Nimi@4aa298b7. Mistä tässä oikein on kyse?

Metodikutsu System.out.println tulostaa muuttujan arvon. Alkeistyyppistien muuttujien arvo on konkreettinen, kun taas viittaustyyppisten muuttujien arvo on viite. Kun viittaustyyppinen muuttuja tulostetaan, tulostuksena on muuttujan tyyppi sekä Javan muuttujalle luoma tunniste: merkkijono Nimi@4aa298b7 kertoo, että kyse on Nimi-tyyppisestä muuttujasta, jonka tunniste on 4aa298b7.

Edellinen esimerkki pätee silloin, jos ohjelmoija ei ole muuttanut olion oletustulostusmuotoa. Tulostusmuodon voi muuttaa määrittelemällä olion luokkaan metodi toString, jossa kerrotaan miltä olion tulostuksen tulee näyttää. Alla olevassa esimerkissä luokalle Nimi on määritelty metodi public String toString(), joka palauttaa oliomuuttujan nimi. Nyt, kun luokasta luotu olio tulostetaan System.out.println-komennolla, tulostustettava tieto on metodin toString palauttama merkkijono.

public Nimi {
    private String nimi;

    public Nimi(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
    }

    public String toString() {
        return this.nimi;
    }
}

Nimi leevi = new Nimi("Leevi");
System.out.println(leevi); // sama kuin System.out.println(leevi.toString());

Alkeistyyppiset muuttujat

Olemme käyttäneet näistä ensisijaisesti totuusarvomuuttujia (boolean), kokonaislukumuuttujia (int), ja liukulukumuuttujia (double).

boolean totuusarvo = false;
int kokonaisluku = 42;
double liukuluku = 4.2;

System.out.println(totuusarvo);
System.out.println(kokonaisluku);
System.out.println(liukuluku);

Alkeistyyppisillä muuttujilla muuttujan esittely varaa muistista muuttujan tyypin kokoisen muistipaikan, johon muuttujaan asetettava arvo kopioidaan. Alla olevassa esimerkissä luodaan kolme muuttujaa. Jokaisella muuttujalla on erillinen paikka muistissa, johon asetettava arvo kopioidaan.

int eka = 10;
int toka = eka;
int kolmas = toka;
System.out.println(eka + " " + toka + " " + kolmas);
toka = 5;
System.out.println(eka + " " + toka + " " + kolmas);

10 10 10
10 5 10

Muuttujan nimi kertoo paikan, missä muuttujan arvo sijaitsee. Muuttujan arvon asetus yhtäsuuruusmerkillä aiheuttaa arvon kopioimisen muuttujan nimen perusteella tunnistettavaan muistipaikkaan. Esimerkiksi lause int eka = 10 varaa muuttujalle paikan nimeltä eka ja kopioi arvon 10 siihen.

Vastaavasti lause int toka = eka; varaa luotavalle muuttujalle paikan nimeltä toka ja kopioi siihen muuttujan eka paikan sisältämän arvon.

Muuttujien arvot kopioituvat myös metodikutsujen yhteydessä. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että metodikutsun yhteydessä metodin parametriksi annetun muuttujan arvo ei muutu metodia kutsuvassa metodissa. Alla olevassa esimerkissä main-metodissa esitellään muuttuja luku, jonka arvo kopioidaan metodin kutsu parametriksi. Metodissa kutsu parametrina saatu arvo tulostetaan, jonka jälkeen arvoa kasvatetaan yhdellä, jonka jälkeen arvo tulostetaan vielä kerran. Lopulta metodin kutsu suoritus loppuu, ja palataan main-metodiin. Main-metodissa olevan luku-muuttujan arvo ei ole muuttunut, sillä se ei liity millään tavalla kutsu-metodin parametriksi määriteltyyn muuttujaan luku.

Viittaustyyppiset muuttujat

Kaikki Javan valmiiksi tarjoamat muuttujat (paitsi edellä kuvatut kahdeksan alkeistyyppistä muuttujaa) ovat viittaustyyppisiä. Ohjelmoija voi myös luoda uusia viittaustyyppisiä muuttujatyyppejä määrittelemällä uusia luokkia. Käytännössä jokainen (mistä tahansa) luokasta luotu olio on viittaustyyppinen muuttuja.

Tarkastellaan alussa ollutta esimerkkiä, missä luotiin Nimi-tyyppinen muuttuja leevi.

Nimi leevi = new Nimi("Leevi");

Kutsun osat ovat seuravat:

• Mitä tahansa uutta muuttujaa esiteltäessä tulee ensin kertoa esiteltävän muuttujan tyyppi. Alla esitellään muuttuja, jonka tyyppi on Nimi. Jotta ohjelman suorittaminen onnistuu, tulee käytössä olla luokka nimeltä Nimi.

Nimi ...

• Muuttujan esittelyn yhteydessä kerrotaan muuttujan nimi. Muuttujan arvoon voi myöhemmin viitata muuttujan nimen perusteella. Alla muuttujan nimeksi on määritelty leevi.

Nimi leevi ...

• Muuttujaan voidaan asettaa arvo. Luokista luodaan olioita kutsumalla konstruktoria, joka määrittelee luotavan olion oliomuuttujiin asetettavat arvot. Alla oletetaan, että luokassa Nimi on konstruktori, joka saa parametrikseen merkkijonon.

... new Nimi("Leevi");

• Konstruktorikutsu palauttaa arvon, joka on viite luotuun olioon. Yhtäsuuruusmerkki kertoo ohjelmalle, että yhtäsuuruusmerkin oikealla puolella olevan lausekkeen arvo tulee kopioida yhtäsuuruusmerkin vasemmalla puolella olevan muuttujan arvoksi. Konstruktorikutsun palauttama viite juuri luotuun olioon kopioidaan muuttujan leevi arvoksi.

Nimi leevi = new Nimi("Leevi");

Suurin ero alkeis- ja viittaustyyppisten muuttujien välillä on se, että alkeistyyppiset muuttujat (jotka ovat lähes poikkeuksetta numeroita) ovat muuttumattomia. Viittaustyyppisten muuttujien sisäistä tilaa taas voi tyypillisesti muuttaa. Tämä ilmiö liittyy siihen, että alkeistyyppisten muuttujien arvo on tallennettu suoraan muuttujaan, kun taas viittaustyyppisten muuttujien arvo on viite muuttujan tietoihin eli sisäiseen tilaan.

Alkeistyyppisille muuttujille löytyy laskuoperaatioita kuten plus, miinus, kerto jne — nämä operaatiot eivät muuta alkuperäisten muuttujien arvoja. Laskuoperaatioiden avulla luodaan uusia arvoja, jotka varastoidaan muuttujiin tarvittaessa. Toisaalta, viittaustyyppisten muuttujien arvoa ei voi muuttaa plus, miinus, kerto ym. laskuoperaatioiden avulla.

Viittaustyyppisen muuttujan arvo — eli viite — osoittaa paikkaan, joka sisältää viittaustyyppiseen muuttujaan liittyvät tiedot. Oletetaan, että käytössä on luokka Henkilo, jossa on määritelty oliomuuttujaksi ika. Jos luokasta on luotu henkilö-olio, voi henkilö-olion viitettä seuraamalla päästä käsiksi muuttujaan ika, jonka arvoa voi tarvittaessa muuttaa.

Alkeis- tai viittaustyyppinen muuttuja metodin parametrina

Totesimme aiemmin, että alkeistyyppisten muuttujien arvo on tallennettuna suoraan muuttujaan, kun taas viittaustyyppisten muuttujien arvo sisältää viitteen olioon. Totesimme myös, että muuttujan arvon asettaminen yhtäsuuruusmerkillä kopioi oikealla olevan (mahdollisesti muuttujan) arvon vasemmalla olevan muuttujan arvoksi.

Vastaavanlainen kopiointi tapahtuu metodikutsun yhteydessä. Riippumatta siitä, onko muuttuja alkeis- tai viittaustyyppinen, metodikutsun yhteydessä metodille parametrina annettava arvo kopioidaan metodin käyttöön. Alkeistyyppisillä muuttujilla metodin käyttöön tulee muuttujan arvo, viittaustyyppisillä muuttujilla metodin käyttöön tulee viite.

Tarkastellaan tätä käytännössä. Oletetaan, että käytössämme on seuraava luokka Henkilo.

public class Henkilo {
    private String nimi;
    private int syntymavuosi;

    public Henkilo(String nimi) {
        this.nimi = nimi;
        this.syntymavuosi = 1970;
    }

    public int getSyntymavuosi() {
        return this.syntymavuosi;
    }

    public void setSyntymavuosi(int syntymavuosi) {
        this.syntymavuosi = syntymavuosi;
    }

    public String toString() {
        return this.nimi + " (" + this.syntymavuosi + ")";
    }
}

Tarkastellaan seuraavan ohjelman toimintaa askeleittain.

public class Esimerkki {
    public static void main(String[] args) {
        Henkilo eka = new Henkilo("Eka");

        System.out.println(eka);
        nuorenna(eka);
        System.out.println(eka);

        Henkilo toka = eka;
        nuorenna(toka);

        System.out.println(eka);
    }

    public static void nuorenna(Henkilo henkilo) {
        henkilo.setSyntymavuosi(henkilo.getSyntymavuosi() + 1);
    }
}

Ohjelman suoritus alkaa main-metodin ensimmäiseltä riviltä. Main-metodin ensimmäisellä rivillä esitellään Henkilo-tyyppinen muuttuja eka, johon kopioidaan Henkilo-luokan konstruktorin palauttama arvo. Konstruktorissa luodaan olio, jonka syntymävuodeksi asetetaan 1970 ja jonka nimeksi asetetaan parametrina saatu arvo. Konstruktori palauttaa viitteen. Rivin suorituksen jälkeen ohjelman tilanne on seuraava — ohjelman muistiin on luotu Henkilo-olio, johon on viittaus main-metodissa määritellystä eka-muuttujasta.

Alla olevissa piirroksissa vasemmalla puolella on kutsupino, oikealla ohjelman muisti.

Main-metodin kolmannella rivillä tulostetaan muuttujan eka arvo. Metodikutsu System.out.println etsii sille parametrina annetulta viittaustyyppiseltä muuttujalta toString-metodia. Henkilo-luokalla on metodi toString, joten metodia kutsutaan eka-muuttujan osoittamalle oliolle. Oliossa olevan muuttujan nimi arvo on "Eka" ja syntymävuoden arvo on 1970. Tulostukseksi tulee "Eka (1970)".

Neljännellä rivillä kutsutaan nuorenna-metodia, jolle annetaan parametriksi muuttuja eka. Metodia nuorenna kutsuttaessa sille parametrina annetun muuttujan arvo kopioituu metodin nuorenna käyttöön. Metodin main suoritus jää odottamaan kutsupinoon. Koska muuttuja eka on viittaustyyppinen, kopioituu metodin käyttöön aiemmin luotu viite. Metodin suorituksen lopussa tilanne on seuraava — metodi kasvattaa parametrina saamansa olion syntymävuotta yhdellä.

Kun metodin nuorenna suoritus loppuu, palataan takaisin main-metodiin. Nuorenna-metodin suoritukseen liittyvät tiedot katoavat kutsupinosta.

Metodikutsusta palaamisen jälkeen suoritetaan taas muuttujan eka arvon tulostaminen. Muuttujan eka osoittamaa oliota on muutettu metodikutsun nuorenna yhteydessä: olion syntymavuosi-muuttujaa kasvatettiin yhdellä. Tulostukseksi tulee lopulta "Eka (1971)".

Tämän jälkeen ohjelmassa esitellään uusi Henkilo-tyyppinen muuttuja toka. Muuttujaan toka kopioidaan muuttujan eka arvo, eli muuttujan toka arvoksi tulee viite jo olemassaolevaan Henkilo-olioon.

Tämän jälkeen kutsutaan metodia nuorenna, jolle annetaan parametriksi muuttuja toka. Metodia kutsuttaessa parametriksi annetun muuttujan arvo kopioituu metodin arvoksi. Metodi saa siis käyttöönsä muuttujan toka sisältämän viitteen. Metodin suorituksen lopuksi metodin viittaaman olion syntymävuosi on kasvanut yhdellä.

Lopulta metodin suoritus päättyy, ja ohjelman suoritus palaa takaisin main-metodiin. Main-metodissa tulostetaan vielä kerran muuttujan eka arvo. Tulostukseksi tulee lopulta "Eka (1972)".

Muistathan tarkistaa pistetilanteesi materiaalin oikeassa alareunassa olevasta pallosta!