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了解Java继承和多态


 

   

  将现实中的概念映射为程序中的概念,我们谈了类以及类之间的组合,现实中的概念间还有一种非常重要的关系,就是分类,分类有个根,然后向下不断细化,形成一个层次分类体系。这种例子是非常多的:

  在自然世界中,生物有动物和植物,动物有不同的科目,食肉动物、食草动物、杂食动物等,食肉动物有狼、狗、虎等,这些又分为不同的品种 ...

  打开电商网站,在显著位置一般都有分类列表,比如家用电器、服装,服装有女装、男装,男装有衬衫、牛仔裤等 ...

  计算机程序经常使用类之间的继承关系来表示对象之间的分类关系。在继承关系中,有父类和子类,比如动物类Animal和狗类Dog,Animal是父类,Dog是子类。父类也叫基类,子类也叫派生类,父类子类是相对的,一个类B可能是类A的子类,是类C的父类。

  之所以叫继承是因为,子类继承了父类的属性和行为,父类有的属性和行为,子类都有。但子类可以增加子类特有的属性和行为,某些父类有的行为,子类的实现方式可能与父类也不完全一样。

  使用继承一方面可以复用代码,公共的属性和行为可以放到父类中,而子类只需要关注子类特有的就可以了,另一方面,不同子类的对象可以更为方便的被统一处理。

  本节主要通过图形处理中的一些简单例子来介绍Java中的继承,会介绍继承的基本概念,关于继承更深入的讨论和实现原理,我们在后续章节介绍。

  Object

  在Java中,所有类都有一个父类,即使没有声明父类,也有一个隐含的父类,这个父类叫Object。Object没有定义属性,但定义了一些方法,如下图所示:

  本节我们会介绍toString()方法,其他方法我们会在后续章节中逐步介绍。toString()方法的目的是返回一个对象的文本描述,这个方法可以直接被所有类使用。

  比如说,对于我们之前介绍的Point类,可以这样使用toString方法:

  Point p = new Point(2,3);

  System.out.println(p.toString());

  输出类似这样:

  Point@76f9aa66

  这是什么意思呢?@之前是类名,@之后的内容是什么呢?我们来看下toString的代码:

  public String toString() {

  return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());

  }

  getClass().getName() 返回当前对象的类名,hashCode()返回一个对象的哈希值,哈希我们会在后续章节中介绍,这里可以理解为是一个整数,这个整数默认情况下,通常是对 象的内存地址值,Integer.toHexString(hashCode())返回这个哈希值的16进制表示。

  为什么要这么写呢?写类名是可以理解的,表示对象的类型,而写哈希值则是不得已的,因为Object类并不知道具体对象的属性,不知道怎么用文本描述,但又需要区分不同对象,只能是写一个哈希值。

  但子类是知道自己的属性的,子类可以重写父类的方法,以反映自己的不同实现。所谓重写,就是定义和父类一样的方法,并重新实现。

  Point类 - 重写toString()

  我们再来看下Point类,这次我们重写了toString()方法。

  复制代码

  public class Point {

  private int x;

  private int y;

  public Point(int x, int y) {

  this.x = x;

  this.y = y;

  }

  public double distance(Point point){

  return Math.sqrt(Math.pow(this.x-point.getX(),2)

  +Math.pow(this.y-point.getY(), 2));

  }

  public int getX() {

  return x;

  }

  public int getY() {

  return y;

  }

  @Override

  public String toString() {

  return "("+x+","+y+")";

  }

  }

  复制代码

  toString方法前面有一个 @Override,这表示toString这个方法是重写的父类的方法,重写后的方法返回Point的x和y坐标的值。重写后,将调用子类的实现。比如,如下代码的输出就变成了:(2,3)

  Point p = new Point(2,3);

  System.out.println(p.toString());

  图形处理类

  接下来,我们以一些图形处理中的例子来进一步解释,先来看幅图:

  这都是一些基本的图形,图形有线、正方形、三角形、圆形等,图形有不同的颜色。接下来,我们定义以下类来说明关于继承的一些概念:

  父类Shape,表示图形。

  类Circle,表示圆。

  类Line,表示直线。

  类ArrowLine,表示带箭头的直线。

  图形 (Shape)

  所有图形都有一个表示颜色的属性,有一个表示绘制的方法,下面是代码:

  复制代码

  public class Shape {

  private static final String DEFAULT_COLOR = "black";

  private String color;

  public Shape() {

  this(DEFAULT_COLOR);

  }

  public Shape(String color) {

  this.color = color;

  }

  public String getColor() {

  return color;

  }

  public void setColor(String color) {

  this.color = color;

  }

  public void draw(){

  System.out.println("draw shape");

  }

  }

  复制代码

  以上代码基本没什么可解释的,实例变量color表示颜色,draw方法表示绘制,我们不会写实际的绘制代码,主要是演示继承关系。

  圆 (Circle)

  圆继承自Shape,但包括了额外的属性,中心点和半径,以及额外的方法area,用于计算面积,另外,重写了draw方法,代码如下:

  复制代码

  public class Circle extends Shape {

  //中心点

  private Point center;

  //半径

  private double r;

  public Circle(Point center, double r) {

  this.center = center;

  this.r = r;

  }

  @Override

  public void draw() {

  System.out.println("draw circle at "

  +center.toString()+" with r "+r

  +", using color : "+getColor());

  }

  public double area(){

  return Math.PI*r*r;

  }

  }

  复制代码

  说明几点:

  Java使用extends关键字标明继承关系,一个类最多只能有一个父类。

  子类不能直接访问父类的私有属性和方法,比如,在Circle中,不能直接访问shape的私有实例变量color。

  除了私有的外,子类继承了父类的其他属性和方法,比如,在Circle的draw方法中,可以直接调用getColor()方法。

  看下使用它的代码:

  复制代码

  public static void main(String[] args) {

  Point center = new Point(2,3);

  //创建圆,赋值给circle

  Circle circle = new Circle(center,2);

  //调用draw方法,会执行Circle的draw方法

  circle.draw();

  //输出圆面积

  System.out.println(circle.area());

  }

  复制代码

  程序的输出为:

  draw circle at (2,3) with r 2.0, using color : black

  12.566370614359172

  这里比较奇怪的是,color是什么时候赋值的?在new的过程中,父类的构造方法也会执行,且会优先于子类先执行。在这个例子中,父类Shape的默认构造方法会在子类Circle的构造方法之前执行。关于new过程的细节,我们会在后续章节进一步介绍。

  直线 (Line)

  线继承自Shape,但有两个点,有一个获取长度的方法,另外,重写了draw方法,代码如下:

  复制代码

  public class Line extends Shape {

  private Point start;

  private Point end;

  public Line(Point start, Point end, String color) {

  super(color);

  this.start = start;

  this.end = end;

  }

  public double length(){

  return start.distance(end);

  }

  public Point getStart() {

  return start;

  }

  public Point getEnd() {

  return end;

  }

  @Override

  public void draw() {

  System.out.println("draw line from "

  + start.toString()+" to "+end.toString()

  + ",using color "+super.getColor());

  }

  }

  复制代码

  这里我们要说明的是super这个关键字,super用于指代父类,可用于调用父类构造方法,访问父类方法和变量:

  在line构造方法中,super(color)表示调用父类的带color参数的构造方法,调用父类构造方法时,super(...)必须放在第一行。

  在draw方法中,super.getColor()表示调用父类的getColor方法,当然不写super.也是可以的,因为这个方法子类没有同名的,没有歧义,当有歧义的时候,通过super.可以明确表示调用父类的。

  super同样可以引用父类非私有的变量。

  可以看出,super的使用与this有点像,但super和this是不同的,this引用一个对象,是实实在在存在的,可以作为函数参数,可以作为返回值,但super只是一个关键字,不能作为参数和返回值,它只是用于告诉编译器访问父类的相关变量和方法。

  带箭头直线 (ArrowLine)

  带箭头直线继承自Line,但多了两个属性,分别表示两端是否有箭头,也重写了draw方法,代码如下:

  复制代码

  public class ArrowLine extends Line {

  private boolean startArrow;

  private boolean endArrow;

  public ArrowLine(Point start, Point end, String color,

  boolean startArrow, boolean endArrow) {

  super(start, end, color);

  this.startArrow = startArrow;

  this.endArrow = endArrow;

  }

  @Override

  public void draw() {

  super.draw();

  if(startArrow){

  System.out.println("draw start arrow");

  }

  if(endArrow){

  System.out.println("draw end arrow");

  }

  }

  }

  复制代码

  ArrowLine继承自Line,而Line继承自Shape,ArrowLine的对象也有Shape的属性和方法。

  注意draw方法的第一行,super.draw()表示调用父类的draw()方法,这时候不带super.是不行的,因为当前的方法也叫draw()。

  需要说明的是,这里ArrowLine继承了Line,也可以直接在类Line里加上属性,而不需要单独设计一个类ArrowLine,这里主要是演示继承的层次性。

  图形管理器

  使用继承的一个好处是可以统一处理不同子类型的对象,比如说,我们来看一个图形管理者类,它负责管理画板上的所有图形对象并负责绘制,在绘制代码中,只需要将每个对象当做Shape并调用draw方法就可以了,系统会自动执行子类的draw方法。代码如下:

  复制代码

  public class ShapeManager {

  private static final int MAX_NUM = 100;

  private Shape[] shapes = new Shape[MAX_NUM];

  private int shapeNum = 0;

  public void addShape(Shape shape){

  if(shapeNum

  shapes[shapeNum++] = shape;

  }

  }

  public void draw(){

  for(int i=0;i

  shapes[i].draw();

  }

  }

  }

  复制代码

  ShapeManager使用一个数组保存所有的shape,在draw方法中调用每个shape的draw方法。ShapeManager并不知道每个shape具体的类型,也不关心,但可以调用到子类的draw方法。

  我们来看下使用ShapeManager的一个例子:

  复制代码

  public static void main(String[] args) {

  ShapeManager manager = new ShapeManager();

  manager.addShape(new Circle(new Point(4,4),3));

  manager.addShape(new Line(new Point(2,3),

  new Point(3,4),"green"));

  manager.addShape(new ArrowLine(new Point(1,2),

  new Point(5,5),"black",false,true));

  manager.draw();

  }

  复制代码

  新建了三个shape,分别是一个圆、直线和带箭头的线,然后加到了shape manager中,然后调用manager的draw方法。

  需要说明的是,在addShape方法中,参数Shape shape,声明的类型是Shape,而实际的类型则分别是Circle,Line和ArrowLine。子类对象赋值给父类引用变量,这叫向上转型,转型就是转换类型,向上转型就是转换为父类类型。

  变量shape可以引用任何Shape子类类型的对象,这叫多态,即一种类型的变量,可引用多种实际类型对象。这样,对于变量shape,它就有两个类型,类型Shape,我们称之为shape的静态类型,类型Circle/Line/ArrowLine,我们称之为shape的动态类型。在ShapeManager的draw方法中,shapes[i].draw()调用的是其对应动态类型的draw方法,这称之为方法的动态绑定。

  为什么要有多态和动态绑定呢?创建对象的代码 (ShapeManager以外的代码)和操作对象的代码(ShapeManager本身的代码),经常不在一起,操作对象的代码往往只知道对象是某种父类型,也往往只需要知道它是某种父类型就可以了。

  可以说,多态和动态绑定是计算机程序的一种重要思维方式,使得操作对象的程序不需要关注对象的实际类型,从而可以统一处理不同对象,但又能实现每个对象的特有行为。后续章节我们会进一步介绍动态绑定的实现原理。

  小结

  本节介绍了继承和多态的基本概念:

  每个类有且只有一个父类,没有声明父类的其父类为Object,子类继承了父类非private的属性和方法,可以增加自己的属性和方法,可以重写父类的方法实现。

  new过程中,父类先进行初始化,可通过super调用父类相应的构造方法,没有使用super的话,调用父类的默认构造方法。

  子类变量和方法与父类重名的情况下,可通过super强制访问父类的变量和方法。

  子类对象可以赋值给父类引用变量,这叫多态,实际执行调用的是子类实现,这叫动态绑定。

  但关于继承,还有很多细节,比如实例变量重名的情况。另外,继承虽然可以复用代码,便于统一处理不同子类的对象,但继承其实是把双刃剑,使用不当,也有很多问题。让我们下节来讨论这些问题,而关于继承和多态的实现原理,让我们再下节来讨论。