java 枚举(enum) 全面解读

简介

枚举是Java1.5引入的新特性，通过关键字enum来定义枚举类。枚举类是一种特殊类，它和普通类一样可以使用构造器、定义成员变量和方法，也能实现一个或多个接口,但枚举类不能继承其他类.

原理分析

枚举类型使用的最常用类型就是枚举常量.下面通过一个简单的Demo来说明枚举的原理.

// 定义 public enum Color { BLACK, WHITE } // 使用 public class Main { public static void main(String[] args) { System.out.println(Color.BLACK); } } // 结果 // BLACK 

这样只是能够知道枚举简单的使用方法,不能看出枚举的特点和枚举的具体实现.
下面我们通过 jad工具来反编译Color类, 通过jad -sjava Color.class反编译出一份java文件.

// final修饰,无法被继承 public final class Color extends Enum { // 为了避免 返回的数组修改,而引起内部values值的改变,返回的是原数组的副本 public static Color[] values() { return (Color[]) $VALUES.clone(); } // 按名字获取枚举实例 public static Color valueOf(String name) { return (Color) Enum.valueOf(em / Color, name); } // 私有的构造函数 private Color(String name, int ordinal) { super(name, ordinal); } // enum第一行的声明的变量,都对应一个枚举实例对象 public static final Color BLACK; public static final Color WHITE; // private static final Color $VALUES[]; // 静态域初始化,说明在类加载的cinit阶段就会被实例化,jvm能够保证类加载过程的线程安全 static { BLACK = new Color("BLACK", 0); WHITE = new Color("WHITE", 1); $VALUES = (new Color[]{ BLACK, WHITE }); } } 

从反编译的类中,可以看出, 我们使用enum关键字编写的类,在编译阶段编译器会自动帮我们生成一份真正在jvm中运行的代码.

该类继承自 Enum类,public abstract class Enum<E extends Enum<E>>implements Comparable<E>, Serializable.

Enum类接受一个继承自Enum的泛型.(在反编译java文件中没有体现泛型是因为,泛型在阶段就会被类型类型擦除,替换为具体的实现.).

从反编译的Color类中可以看出,在enum关键字的类中,第一行 (准确的说是第一个分号前) 定义的变量,都会生成一个 Color实例,且它是在静态域中进行初始化的, 而静态域在类加载阶段的cinit中进行初始化,所以枚举对象是线程安全的,由JVM来保证.

生成的枚举类有 Color $VALUES[];成员变量,外部可以通过values()方法获取当前枚举类的所有实例对象.

Enum成员变量和方法分析

Enum类实现了 Comparable接口,表明它是支持排序的,可以通过 Collections.sort 进行自动排序.实现了public final int compareTo(E o)接口,方法定义为final且其实现依赖的ordinal字段也是final类型,说明他只能根据ordinal排序,排序规则不可变.

 public final int compareTo(E o) { Enum<?> other = (Enum<?>)o; Enum<E> self = this; if (self.getClass() != other.getClass() && // optimization self.getDeclaringClass() != other.getDeclaringClass()) throw new ClassCastException(); return self.ordinal - other.ordinal; } 

ordinal: 表示枚举的顺序,从Color类中可以看出,它是从0开始按自然数顺序增长,且其值是final类型,外部无法更改.对于 ordinal()方法,官方建议尽量不要使用它,它主要是提供给EnumMap,EnumSet使用的.

/** * Returns the ordinal of this enumeration constant (its position * in its enum declaration, where the initial constant is assigned * an ordinal of zero). * * Most programmers will have no use for this method. It is * designed for use by sophisticated enum-based data structures, such * as {@link java.util.EnumSet} and {@link java.util.EnumMap}. * * @return the ordinal of this enumeration constant */ public final int ordinal() { return ordinal; } 

name: 表示枚举类的名字,从Color类的构造函数可以看出,它的值就是我们定义的实例的名称.
我们在例子中之所以能打印出实例名称,是因为 它的toString()方法直接返回了name属性.

/** * Returns the name of this enum constant, as contained in the * declaration. This method may be overridden, though it typically * isn't necessary or desirable. An enum type should override this * method when a more "programmer-friendly" string form exists. * * @return the name of this enum constant */ public String toString() { return name; } 

equals(): 从其实现来看, 我们程序中使用 == 或者 equals来判断两个枚举相等都是一样的.

 public final boolean equals(Object other) { return this==other; } 

getDeclaringClass(): 方法返回枚举声明的Class对象

每一个枚举类型极其定义的枚举变量在JVM中都是唯一的

这句话的意思是枚举类型它拥有的实例在编写的时候,就已经确定下,不能通过其他手段进行创建,且枚举变量在jvm有且只有一个对应的实例.

为了达到这个效果,它通过以下方法来确保.

1. 类加载时创建,保证线程安全

从Color类中可以看出, Color对象是在静态域创建,由类加载时初始化,JVM保证线程安全,这样就能确保Color对象不会因为并发同时请求而错误的创建多个实例.

1. 对序列化进行特殊处理,防止反序列化时创建新的对象

我们知道一旦实现了Serializable接口之后，反序列化时每次调用 readObject()方法返回的都是一个新创建出来的对象.

而枚举则不同,在序列化的时候Java仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是通过Enum的valueOf()方法来根据名字查找枚举对象。同时，编译器是不允许任何对这种序列化进行定制，因此禁用了writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法。

public static <T extends Enum<T>> T valueOf(Class<T> enumType, String name) { T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name); if (result != null) return result; if (name == null) throw new NullPointerException("Name is null"); throw new IllegalArgumentException( "No enum constant " + enumType.getCanonicalName() + "." + name); } /** * prevent default deserialization */ private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException { throw new InvalidObjectException("can't deserialize enum"); } private void readObjectNoData() throws ObjectStreamException { throw new InvalidObjectException("can't deserialize enum"); } 

1. 私有构造函数, 无法正常的 new出对象

 // 私有的构造函数 private Color(String name, int ordinal) { super(name, ordinal); } 

1. 无法通过 clone()方法,克隆对象

 /** * Throws CloneNotSupportedException. This guarantees that enums * are never cloned, which is necessary to preserve their "singleton" * status. */ protected final Object clone() throws CloneNotSupportedException { throw new CloneNotSupportedException(); } 

1. 无法通过反射的方式创建枚举对象

枚举类型,在 JVM 层面禁止了通过反射构造枚举实例的行为,如果尝试通过反射创建,将会报Cannot reflectively create enum objects.

 static void reflectTest() throws Exception { // 获取类对象 Class<?> cls = Class.forName("em.Color"); // 获取 color 的构造函数 Constructor<?> constructor = cls.getDeclaredConstructor(String.class, int.class); // 获取访问权限 constructor.setAccessible(true); // 实例化 Object reflectColor = constructor.newInstance("name", 0); } // 报错 Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417) at Main.reflect(Main.java:24) at Main.main(Main.java:13) 

枚举类的特点总结

1. 枚举实例必须在 enum关键字声明的类中显式的指定(首行开始的以第一个分号结束)
2. 除了1, 没有任何方式(new,clone,反射,序列化)可以手动创建枚举实例
3. 枚举类不可被继承
4. 枚举类是线程安全的
5. 枚举类型是类型安全的(typesafe)
6. 无法继承其他类(已经默认继承Enum)

枚举的使用

• 枚举常量

如上诉 Color枚举类,就是典型的枚举常量.

它可以在 switch语句中使用

 void enmuTest() { Color tag = Color.BLACK; switch (tag) { case WHITE: break; case BLACK: break; } } 

枚举类型是类型安全的,可以对传入的值进行类型检查:

如有个 handleColor(Color color)方法,那么方法参数自动会对类型进行检查,只能传入 Color.WHITE和Color.BLACK,如果使用 static final定义的常量则不具备 类型安全的特点.

• 枚举与构造函数

枚举类可以编写自己的构造函数,但是不能声明public,protected,为了是不让外部创建实例对象,默认为private且只能为它.

• 枚举与类

除了枚举常量外, enum是一个完整的类,它也可以编写自己的构造方法以及方法,甚至实现接口.

这里需要注意,枚举类不能继承其他类,因为在编译时它已经继承了 Enum,java无法多继承

// 实现Runnable接口,在这个类中没有意义,只是为了举例 public enum Color implements Runnable { WHITE("黑色"), BLACK("白色"); private final String value; // 自定义构造,虽然没有写private,但是默认就是private Color(String v) { value = v; } // 自定义方法 public void draw() { System.out.println("绘制 " + value); } // 重写方法 @Override public String toString() { return value; } // 实现接口方法 @Override public void run() { // todo ... } } 

枚举与单例模式

单例模式网上有6-7中写法,除了 枚举方式外, 都有两个致命的缺点, 不能完全保证单例在jvm中保持唯一性.

1. 反射创建单例对象

解决方案 : 在构造上述中判断,当多于一个实例时,再调用构造函数,直接报错.

1. 反序列化时创建对象

解决方案 : 使用readResolve()方法来避免此事发生.

这两种缺点虽然都有方式解决,但是不免有些繁琐.

枚举类天生有这些特性.而且实现单例相当简单.

public enum Singleton { INSTANCE; public void method() { // todo ... } } 

所以,枚举实现的单例,可以说是最完美和简洁的单例了.推荐大家使用这种方式创建单例.

但是,枚举类的装载和初始化时会有时间和空间的成本. 它的实现比其他方式需要更多的内存空间,所以在Android这种受资源约束的设备中尽量避免使用枚举单例,而选择 双重检查锁(DCL)和静态内部类的方式实现单例.

枚举与策略模式

特定的常量类型与主体中的方法或行为有关时,即当数据与行为之间有关联时,可以考虑使用枚举来实现策略模式.

如我们需要实现加减运算,就可以在枚举类型中声明一个 apply抽象方法,在特定于常量的方法（Constant-specific class body的Constant -specific method implementation）中,用具体实现抽象方法.

public enum Operation { PLUS { // 实例中实现抽象方法 public double apply(double x, double y) { return x + y; } }, MINUS { public double apply(double x, double y) { return x - y; } }; // 声明抽象方法 public abstract double apply(double x, double y); } //调用 double result = Operation.PLUS.apply(1, 2); 

枚举与Android

在旧版的Android开发者官网的指南 Managing Your App's Memory,新版中已经被移除.

有这么一句话 :

Enums often require more than twice as much memory as static constants. You should strictly avoid using enums on Android.

使用枚举常量比使用final static来实现常量定义,枚举的内存消耗比后高不止两倍. 你应该严格避免在Android上使用枚举.

导致很多开发者把它当成了教条,禁止在Android上使用枚举.

从反编译的Color类中可以发现, 枚举为每一个对象创建一个枚举对象,枚举对象里面至少有 一个String类型(name),和一个int类型(ordinal)再加上对象头部占用的内存.(此处还忽略了$VALUS数组的创建消耗).
单个枚举类型常量,比static final声明的常量占用的内存大的多.

因此,不建议在Android中使用枚举常量,而更偏向于使用 static final来定义常量.

但是,枚举常量中有类型安全检查的功能,使用常规的实现,没有这种功能.
这里我们可以使用android提供的注解来实现类型检查. @StringDef和@IntDef
具体可以参考这篇文章. Android Performance: Avoid using ENUM on Android

但是,一定不能使用枚举吗?

我觉得并不如此,当数据和行为有关联时,或者说数据受到行为的控制时,可以考虑使用策略枚举.

复杂的枚举

EnumSet,EnumMap并不常用,这里不做过多解释,想了解的可以参考 深入理解Java枚举类型(enum)

引用

1. Android Performance: Avoid using ENUM on Android
2. 深入理解Java枚举类型(enum)
3. Java 枚举会比静态常量更消耗内存吗
4. Should I strictly avoid using enums on Android?