staticなメソッドから非staticなメソッドへのアクセスについて

Question

Javaの勉強をしている者です。

Javaの勉強をしている中で、「staticなメソッドから非staticなメソッドへのアクセスはできない」ということは理解しました。
しかし、staticのついているmainメソッドから非staticなメソッドやフィールドへアクセスできている例が多くあります。

例えば下記のコードではstaticなmainメソッドから非staticなtestメソッドへアクセスをし、Aという文字列が出力されると思います。
staticなメソッドから非staticなメソッドへアクセスができないのはずなのに何でだろうと悩んでいます。
mainメソッドの場合は特別な扱いになっているのでしょうか？
どうかよろしくお願いします。

###該当のソースコード
public class Main {

	public static void main(String[] args){
		Sample s = new Sample();
		s.test();	//staticなmainメソッドから非staticなtestメソッドを呼び出しているのでは？
	}

}

public class Sample {
void test(){
System.out.println("A");
}
}

Answer 1

「staticなメソッドから非staticなメソッドへのアクセスはできない」という説明は、正確には「staticなメソッドから、（同一クラス内の）非staticなメソッドへの（直接の）アクセスはできない」という意味です。
したがって、以下の例のように、staticなxメソッドから、同じAクラス内の非staticなyメソッドへの直接のアクセスはNGでありコンパイル・エラーとなります。

class A {

	static void x() { // static
		y(); // 直接アクセス: NG
	}

	void y() { // 非static
		// 何らかの処理
	}
}

では、直接でなければOKというのはどういうことかというと、そのクラスのインスタンスを生成して間接的に（インスタンスを介して）アクセスすることは問題ないということです。

class A {

	static void x() { // static
		A a = new A(); // このクラスのインスタンスを生成
		a.y(); // インスタンスを介した間接的なアクセス: OK
	}

	void y() { // 非static
		// 何らかの処理
	}
}

クラス内に宣言されたメソッドの実行方法には、大きく分けて以下2つの方法があります。

1. インスタンスを生成することなく、クラスに属するメソッドとして実行
2. クラスからインスタンスを生成し、インスタンスに属するメソッドとして実行

1番の方法で実行するためのメソッドが「staticメソッド」です。そして2番の方法で実行するメソッドが「非staticメソッド」となります。非staticメソッドは必ずインスタンスを生成して呼び出す必要があることから「インスタンス・メソッド」とも呼ばれます。
これら2つのメソッドは1つのクラス内に混在させることができるため、同じクラスを利用する場合でも呼び出すメソッドによって「インスタンスを生成しなくてもよいのか（staticメソッド）」、それとも「インスタンスを生成しなければならないのか（非staticメソッド）」が決定します。

先ほどの例のAクラスでは、xメソッドはstaticメソッドであるため、Aクラスのインスタンスを生成することなく呼び出すことができます。反対にyメソッドは非staticメソッドであるため、必ずインスタンスを生成して呼び出す必要があります。少し乱暴に言い換えれば、xメソッドはクラスにのみ存在するメソッド、yメソッドはインスタンスにのみ存在するメソッドと考えることができます。

Javaのプログラムを実行する際に、クラスは常に存在していますが（使用に先立ってメモリにロードされます）、インスタンスはnewを使用して明示的に生成しない限り存在しません。
ここで、xメソッドはAクラスのインスタンスが存在していなくても使用できるという仕様になっているのに（staticだから）、そのxメソッド内の処理において、Aクラスのインスタンスが存在していなければ呼び出すことのできないyメソッドを呼び出すコードを書けてしまうとおかしいですよね？ ルールに矛盾することになります。したがって、1番目の例はNGになるということです。
しかし、2番目の例では、xメソッドの処理の中でAクラスのインスタンスを生成しているため、そのインスタンスを介してyメソッドを呼び出すことができているわけです。
質問者さんが提示しているコードも同じですよね。

なぜこのようにstaticと非staticの2種類があるかというと、1つは設計上の観点。インスタンスは固有のデータを持ち、その固有のデータに基づく処理を担います。もしインスタンスに共通のデータや処理があるなら、それはインスタンスごとに持たせるのではなく、クラスで共用すればいいですよね？ それがstaticなメンバーです。
もう1つは処理性能とメモリの効率的な利用というハードウェアの観点からです。インスタンス生成はメモリのヒープ領域に動的にデータを割り当てるという比較的重たい処理となります。また、インスタンスを作れば作るほどメモリの領域を使用することになります。先に書いたように、インスタンスごとに必要ないデータや処理があるのであれば、わざわざインスタンスを作る必要はなく、ロードされたクラスのまま実行すればいいですよね？

Javaのプログラムがメモリにどのようにロードされて実行されるのかも勉強すると、もっと深く理解できると思います。

Comments

[kazu0630]

ご回答ありがとうございました。非常に丁寧にご説明をしていただき、ありがとうございます。おかげ様でもやっとしたものがなくなり、理解することができました。特に分かりやすく、丁寧にご説明をしていただいた、amadablamさんをベストアンサーに選ばせていただきます。初めてこういったサービスを利用して質問をしたため不安な点もございましたが、3人の方からこれほど分かりやく丁寧なご回答いただけるとは思ってもいませんでした。お三方とも、貴重なお時間を使い、ご説明をしていただき本当にありがとうございました。

Answer 2

ある教科書にはこう書いてあります
「クラス内で定義したstaticメンバは、クラス内で定義したインスタンスメンバに直接アクセスできない。アクセスする場合は、インスタンス化してからアクセスする」
もしかしたら逆に分かりにくくなるかも知れませんが、以前どこかで読んだセリフがあります
「お前が言っていることは確かに正しいのかも知れない
だが、それが全てではないだろう」

「staticなメソッドからアクセスできるのはstaticだけ」と書かれているサイトは
ある範囲においては正しい事を書いています 実際その通りです しかしそれが全てではありません
「staticなメソッドから"直接"アクセスできるのはstaticだけ」なのです その事実の外側に
「インスタンス化を経由し"迂回して"アクセスする場合は、static以外にもアクセスできる」という事実もあるという事です

擁護の意見はここまでとして、実際のところ何が起こっているのか簡潔に言うと、
その参考書やサイトの解説は説明が足りていないのです それだけです

「水は100℃で沸騰する」という説明をどこかの本で読んだ人間が、高山に登り頂上で水を沸かすと低気圧下での水の沸点は低くなるため明らかに100℃以下でも水が沸騰するのを見て「水は100℃で沸騰するという説明を見たのに、あれらの本は間違っていたのか」と思うようなものです
「水は100℃で沸騰する」という記述をした人間は、その本の文章を読む人間が気圧がそこまで違う場所で水を沸騰させるという事まで想定していないのです
その本を読む読者層にとっては、一生極端に気圧が上下する環境下で水を沸騰させたりしないので「水は100℃で沸騰する」という説明で充分であり、それ以上の説明「・・・しかし気圧の上下によってはその限りではない」という説明があると逆に混乱するのであえて書いていないのです その混乱を止めるためには気圧による沸点の上下についてさらに細かく完全に書かなければなりませんが、そのような記述ができる余白がない場合もあるでしょうし、読者層の年齢が低く説明し難い場合もあると思います

その問題の解説では、問題で出た部分、たとえばstaticメソッドからインスタンスメソッドへ直接アクセスができない事実をとりあえず説明するためにそのような「部分的な事実」を紙面の余白の許す範囲内で書いていただけなのではないでしょうか

Comments

[kazu0630]

ご回答ありがとうございます。staticメンバから非staticなメンバは直接アクセスすることができないということは分かっておりましたが、インスタンス化すればアクセスできるということが分かっていなかったため、理解ができていなかったようです。 自分の中でもやっとしていたものがなくなりました。お時間をいただき、ご説明をいただきありがとうございました。

Answer 3

ちょっと考えてみましょう。

Javaはpublic static mainメソッドから実行が始まります。もし「staticなメソッドから非staticなメソッドが呼べないのだとしたら、永遠に非staticなメソッドは起動できない」ことになりませんか？

つまり以下の理解が間違っています。

staticなメソッドから非staticなメソッドへのアクセスはできない

そうではなく、非staticなメソッド・フィールドは「インスタンスを指示しない限りアクセスできない」と考えてください。上の例ではsの中にSampleのインスタンス（の参照）が入っています。その状態で

s.test();

とすると「sが指すインスタンスの非staticメソッドtestを起動せよ」という指示となり「インスタンスをちゃんと指示しているからアクセスできる」のです。

上のような誤解は以下のコードの(1)を指しての説明をした何かの解説を見たのが原因だと思います。確かに(1)はNGで「理由はstaticから非staticは呼べない」と書いてあったかも知れませんが、その説明だけでは説明不十分なのです。上に述べたように(2)はOKなのでその説明だけでは矛盾しますよね？

なお、(3)はOKですがnonStatic2へのアクセスはどのインスタンスを指示していることになるのでしょうか？その意味は教科書などで調べてみてください。

class Sample {
  static void static1(Sample s) {
    nonStatic1(); // <-(1) compile error
    s.nonStatic1(); // <-(2) ok
  }

  void nonStatic1() {
    nonStatic2(); // <-(3) ok
  }

  void nonStatic2() {
  }
}

Comments

[kazu0630]

　ご回答ありがとうございます。実は本の問題を解いていて、解説に「staticなメソッドから非staticなメソッドへのアクセスができない」と書かれていまして、混乱しております。自分で先ほどから調べていて、「staticなメソッドからアクセスできるのはstaticだけ」と書かれているサイトを見つけました。どうしてもこの言葉が頭の中に残っているせいかモヤッとした感じが残っています・・。本や私が見たサイトが書いていることは間違いということなんでしょうか？

　それとも原則staticなメソッドからアクセスできるのはstaticのついたメソッドやフィールドだけで非staticなメソッドやフィールドにはアクセスはできないが、インスタンスの参照をを格納した変数名.メソッド名またはフィールド名という形で記述すればアクセスできるということでしょうか？