6.4 Statische Methoden und Variablen 

Exemplarvariablen sind eng mit ihrem Objekt verbunden. Wird ein Objekt geschaffen, erhält es einen eigenen Satz von Exemplarvariablen, die zusammen den Zustand des Objekts repräsentieren. Ändert eine Objektmethode den Wert einer Exemplarvariablen in einem Objekt, so hat dies keine Auswirkungen auf die Daten der anderen Objekte; jedes Objekt speichert eine individuelle Belegung. Es gibt jedoch auch Situationen, in denen Eigenschaften oder Methoden nicht direkt einem individuellen Objekt zugeordnet werden. Dazu gehören zum Beispiel die Methoden:

sin(), etwa in Math.sin(Math.PI/2.0)

max(), etwa in Math.max(1, -2)

Color.HSBtoRGB(), zum Konvertieren von Farben in Farbräumen

Integer.parseInt(), Umwandeln von einem String in den Integer oder Variablen, die sogar konstant sein können

MAX_INTEGER, die größte darstellbare Zahl

PI aus Math bestimmt die Zahl 3,1415 ...

Diese genannten Eigenschaften sind weniger einem konkreten Objekt mit seinem ureigenen Objektzustand zuzuordnen, sondern vielmehr der Klasse. Diese Art von Zugehörigkeit wird in Java durch statische Eigenschaften unterstützt. Da sie nicht zu einem Objekt gehören wie Objekteigenschaften, nennen wir sie auch Klasseneigenschaften. Die Sinus-Funktion ist ein Beispiel für eine statische Methode der Mathe-Klasse und MAX_INTEGER ein statisches Attribut der Klasse Integer.

6.4.1 Warum statische Eigenschaften sinnvoll sind 

Statische Eigenschaften haben gegenüber Objekteigenschaften den Vorteil, dass sie im Programm ausdrücken, keinen Zustand vom Objekt zu nutzen. Betrachten wir noch einmal Funktionen aus der Mathe-Klasse. Wenn sie Objektmethoden wären, so würden sie in der Regel mit einem Objektzustand arbeiten. Die Funktionen nähmen dann keinen Parameter, sondern arbeiteten mit dem internen Zustand des aufrufenden Objekts. Das macht aber keine Mathe-Funktion. Um den Sinus eines Winkels zu berechnen, benötigen wir kein spezifisches Mathe-Objekt. Statische Funktionen sind aus diesem Grunde häufiger als statische Variablen, da sie ihre Arbeitswerte ausschließlich aus den Parametern ziehen. Statische Variablen werden in erster Linie als Konstanten verwendet.

6.4.2 Statische Eigenschaften mit static 

Um statische Eigenschaften in Java umzusetzen, fügen wir vor der Definition einer Variablen oder einer Methode das Schlüsselwort static hinzu. Für den Zugriff verwenden wir einfach den Klassennamen, den wir wie eine Referenz verwenden. In der UML können statische Eigenschaften durch Unterstreichen markiert werden.

class LittleHelpers
{

  static double PI2 = Math.PI*Math.PI;

  static double half( double x, double y )
  {
    return ( x + y ) / 2.0;
  }
}

class StaticUser
{
  public static void main( String args[] )
  {
     System.out.println(
         LittleHelpers.half( LittleHelpers.PI2, Math.E )
     );
  }
}

6.4.3 Statische Eigenschaften als Objekteigenschaften nutzen 

Besitzt eine Klasse eine Klasseneigenschaft, so kann es auch wie ein Objektattribut über die Referenz angesprochen werden. Das bedeutet, dass es zwei Möglichkeiten gibt, wenn ein Objektexemplar existiert und die Klasse ein statisches Attribut hat. Bleiben wir bei unserem obigen Beispiel mit der Klasse LittleHelpers. Jetzt können wir für den Zugriff auf PI2 schreiben:

LittleHelpers l = new LittleHelpers();
System.out.println( l.PI2 );
System.out.println( LittleHelpers.PI2 );

Die unteren beiden Anweisungen sind identisch. Betrachten wir alleine dieses Codesegment, so ist für uns nicht sichtbar, dass PI2 eine statische Eigenschaft ist. Aus diesem Grund sei der Tipp gegeben, statische Eigenschaften über ihren Klassennamen anzusprechen.

6.4.4 Statische Eigenschaften und Objekteigenschaften 

Wie wir oben gesehen haben, können wir über eine Objektreferenz auch statische Eigenschaften nutzen. Wir wollen uns aber noch einmal vergewissern, wie Objekteigenschaften und statische Eigenschaften gemischt werden können. Erinnern wir uns daran, dass unsere ersten Programme aus der main()-Methode bestanden, aber unsere anderen Methoden auch static sein mussten. Dies ist sinnvoll, denn eine statische Methode kann – ohne explizite Angabe eines aufrufenden Objekts – nur andere statische Methoden aufrufen. Wie sollte auch eine statische Methode eine Objektmethode aufrufen können, wenn es kein dazugehöriges Objekt gibt? Statische Methoden gibt es immer, wenn es die Klasse gibt. Andersherum kann aber jede Objektmethode eine beliebige statische Methode direkt aufrufen. Genauso verhält es sich mit Attributen. Eine statische Methode kann keine Objektattribute nutzen, da es kein implizites Objekt gibt, auf dessen Eigenschaften zugegriffen werden könnte.

this-Referenzen und statische Eigenschaften

Auch der Einsatz der this-Referenz ist bei statischen Eigenschaften nicht möglich. Das trifft in erster Linie statische Methoden, die eine this-Referenz verwenden wollen.

class InStaticNoThis
{
  int a;

  static void martina()
  {
    this.a = 1;           // Compilerfehler genauso wie a = 1?
  }
}

6.4.5 Statische Variablen zum Datenaustausch 

Der Wert einer statischen Variablen wird bei dem Klassenobjekt gespeichert und nicht bei einem Exemplar der Klasse. Wie wir aber gesehen haben, kann jedes Exemplar einer Klasse auch auf die statischen Variablen der Klasse zugreifen. Da eine statische Variable aber nur einmal pro Klasse vorliegt, führt dies dazu, dass mehrere Objekte sich eine Variable teilen. Somit wird ein Austausch von Informationen über die Objektgrenze hinaus erlaubt. Doch kein Vorteil ohne Nachteil. Es kann bei nebenläufigen Zugriffen zu Problemen kommen. Deshalb müssen wir spezielle Synchronisationsmechanismen nutzen.

class ShareData
{
  private static int share;

  public void memorize( int i )
  {
    share = i;
  }

  public int retrieve ()
  {
    return share;
  }
  public static void main( String args[] )
  {
    ShareData s1 = new ShareData();
    ShareData s2 = new ShareData();

    s1.memorize( 2 );
    System.out.println( s2.retrieve() );    // ist 2
  }
}

6.4.6 Warum die Groß- und Kleinschreibung wichtig ist 

Die Vorgabe der Namenskonvention sagt, Klassennamen sind mit Großbuchstaben zu vergeben und Variablennamen mit Kleinbuchstaben. Treffen wir auf eine Anweisung wie Math.max(a, b), so wissen wir sofort, dass max() eine statische Methode sein muss, weil davor ein Bezeichner steht, der großgeschrieben ist. Dieser kennzeichnet also keine Referenz, sondern einen Klassenamen. Daher sollten wir in unseren Programmen großgeschriebene Objektnamen meiden.

String StringModifier = "What is the Matrix?";
String t = StringModifier.trim();

Die trim()-Methode ist nicht statisch, wie die Anweisung durch die Großschreibung suggeriert.

class modifier
{
  static void move() { ... }
}

Jetzt könnte jemand modifier.move() schreiben, und der Leser würde annehmen, dass modifier eine Referenz ist, da sie kleingeschrieben ist und move() eine Objektmethode. Wir sehen an diesem Beispiel, dass es wichtig ist, die Namensgebung zu verfolgen.

6.4.7 Konstanten mit dem Schlüsselwort final bei Variablen 

Statische Variablen werden auch verwendet, um Konstanten zu definieren. Dazu dient zusätzlich das Schlüsselwort final. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass dieser Variablen nur einmal ein Wert zugewiesen werden darf. Für Variablen bedeutet dies: Es sind Konstanten, jeder spätere Schreibzugriff wäre ein Fehler.

class Sockentyp
{
  static final int PUNKTIERT = 1,
                   GEFLECKT  = 2,
                   GESTREIFT = 3;
}

In der Klasse Sockentyp werden drei Konstanten definiert. Ein Aufzählungstyp mit enum wie in C++ gibt es in Java nicht. Für Konstanten ist es bedenkenswert, die Konstanten relativ zum Vorgänger zu wählen, um das Einfügen zu vereinfachen. Dann wäre etwa GEFLECKT=PUNKTIERT+1.¹ 

6.4.8 Typsicherere Konstanten 

Konstanten sind eine wertvolle Möglichkeit, den Quellcode aussagekräftiger zu machen. Der herkömmliche Weg geht über Ganzzahl-Konstanten:

public final int  KONSTANTE1 = 0;
public final int  KONSTANTE2 = 1;
public final int  KONSTANTE3 = 2;

Dieser Weg bringt den Nachteil mit sich, dass die Konstanten nicht unbedingt von jedem angewendet werden müssen und ein Programmierer eventuell direkt die Zahlen oder Zeichenketten einsetzt. Dieses Problem kommt zum Beispiel auf, wenn ein Font-Objekt für die grafische Oberfläche angelegt werden soll, aber unser Gedächtnis versagt, in welcher Reihenfolge die Parameter einzugeben sind. Ein Fallbeispiel:

Font f = new Font( "Dialog",  12, Font.BOLD ):

Leider ist dieses falsch, denn die Parameter für die Zeichensatzgröße und den Schriftstil sind vertauscht. Das Problem ist, dass die Konstanten nur Namen für Werte eines frei zugänglichen Grundtyps sind, und nur der Wert an die Funktion übergeben wird. Niemand kann verbieten, dass direkt die Werte eingetragen werden. Das führt dann zu Fehlern, wie im oberen Fall. In diesem ist 12 die Ganzzahl für den Schriftstil, obwohl es dafür nur die Werte 0, 1, 2 geben sollte. Mit Zeichenketten als Wert der Konstanten kommen wir der Lösung auch nicht näher. Eine gute Möglichkeit von Ganzzahlen wegzukommen ist, Objekte einer Klasse als Konstanten einzusetzen. Folgendes bietet sich an:

Listing 6.11   TypsichereKonstanten.java

public class TypsichereKonstanten
{
  static void func( Muster k )
  {
    if ( k == Muster.GEKRINGELT )
      System.out.println( "GEKRINGELT" );
    if ( k == Muster.GESTRICHELT )
      System.out.println( "GESTRICHELT" );
  }

  public static void main( String args[] )
  {
    func( Muster.GESTRICHELT );
  }
}

final class Muster
{
  static final Muster GEKRINGELT = new Muster();

  static final Muster GESTRICHELT = new Muster();

  private Muster()    // von außen lassen sich keine weiteren
  {                   // Objekte erzeugen
    id = nextId++;
  }

  private int id;

  private static int nextId = 0;  // der Deutlichkeit halber
}

Die Klasse Muster definiert die Konstanten als statische Attribute vom Typ Muster. Da die Objekte für die Konstanten aber nur einmal vorliegen, lassen sie sich einfach mit ==, wie in func() gezeigt, vergleichen.

6.4.9 Statische Blöcke 

Eine Art Konstruktor für das Klassenobjekt selbst (nicht die Exemplare der Klasse) ist ein static-Block, der in jede Klasse gesetzt werden kann. Der Block wird genau dann ausgeführt, wenn die Klasse vom Klassenlader in die virtuelle Maschine geladen wird. In der Regel geschieht das nur einmal während eines Programmlaufs. Unter gewissen Umständen kann jedoch eine Klasse auch zwischenzeitlich aus dem Speicher entfernt werden.

class StaticBlock
{
  static

  {

    System.out.println( "Eins" );
  }

  static

  {

    System.out.println( "Zwei" );
  }



  public static void main( String args[] )
  {
    System.out.println( "Jetzt geht's los." );
  }
}

Lädt der Klassenlader die Klasse StaticBlock, so führt er zuerst den ersten Block mit der Ausgabe »Eins« aus und dann den Block mit der Ausgabe »Zwei«. Da die Klasse StaticBlock auch das main() besitzt, führt die virtuelle Maschine anschließend die Start-Funktion aus.

class StaticNowMain
{
  static
  {
    System.out.println( "Jetzt bin ich das Hauptprogramm" );
    System.exit( 0 );
  }
}

Mit diesem Vorgehen ist jedoch der Nachteil verbunden, dass bei Ausnahmen im versteckten Hauptprogramm die JVM unsinnige Fehler meldet. Etwa dass die Klasse StaticNowMain nicht gefunden wurde oder auch eine ExceptionInInitializerError, die statt einer vernünftigen Exception kommt.

¹   Leider konnte eine frühe Version des freien IBM-Compiler Jikes nicht erkennen, dass PUNKTIERT+1 zur Übersetzungszeit eine Konstante ist.