[ Java学习基础 ] Java的继承与多态

内容预览:
  • UML类图中还有很多关系,如图虚线+空心箭头表示实线关系,箭头指向接口...~
  • 多态发生一定要子类和父类之间~
  •       代码第17、18、21和22行都声明成员常量~

看到自己写的东西(4.22的随笔[ Java学习基础 ] Java构造函数)第一次达到阅读100+的成就还是挺欣慰的,感谢大家的支持!希望以后能继续和大家共同学习,共同努力,一起进步!共勉!

————————————

一、Java继承

      继承是java面向对象编程技术的一块基石,因为它允许创建分等级层次的类。

      继承就是子类继承父类的特征和行为,使得子类对象(实例)具有父类的实例域和方法,或子类从父类继承方法,使得子类具有父类相同的行为。

生活中的继承如图:

      兔子和羊属于食草动物类,狮子和豹属于食肉动物类;食草动物和食肉动物又是属于动物类。所以继承需要符合的关系是:父类更通用,子类更具体。虽然食草动物和食肉动物都是属于动物,但是两者的属性和行为上有差别,所以子类会具有父类的一般特性也会具有自身的特性。

为了更好地了解继承性,先看这样一个场景:一位面向对象的程序员小赵,在编程过程中需要描述和处理个人信息,于是定义了类Person,如下所示:

 1 //Person.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 import java.util.Date;
5
6 public class Person {
7
8 // 名字
9 private String name;
10 // 年龄
11 private int age;
12 // 出生日期
13 private Date birthDate;
14
15 public String getInfo() {
16 return "Person [name=" + name
17 + ", age=" + age
18 + ", birthDate=" + birthDate + "]";
19 }
20
21 }

一周以后,小赵又遇到了新的需求,需要描述和处理学生信息,于是他又定义了一个新的类Student,如下所示:

 1 //Student.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 import java.util.Date;
5
6 public class Student {
7
8 // 所在学校
9 public String school;
10 // 名字
11 private String name;
12 // 年龄
13 private int age;
14 // 出生日期
15 private Date birthDate;
16
17 public String getInfo() {
18 return "Person [name=" + name
19 + ", age=" + age
20 + ", birthDate=" + birthDate + "]";
21 }
22 }

很多人会认为小赵的做法能够理解并相信这是可行的,但问题在于Student和Person两个类的结构太接近了,后者只比前者多了一个属性school,却要重复定义其他所有的内容,实在让人“不甘心”。Java提供了解决类似问题的机制,那就是类的继承,代码如下所示:

1 //Student.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 import java.util.Date;
5
6 public class Student extends Person {
7 // 所在学校
8 private String school;
9 }

Student类继承了Person类中的所有成员变量和方法,从上述代码可见继承使用的关键字是extends,extends后面的Person是父类。

      如果在类的声明中没有使用extends关键字指明其父类,则默认父类为Object类,java.lang.Object类是Java的根类,所有Java类包括数组都直接或间接继承了Object类,在Object类中定义了一些有关面向对象机制的基本方法,如equals()、toString()和finalize()等方法。

Tips:一般情况下,一个子类只能继承一个父类,这称为“单继承”,但有的情况下一个子类可以有多个不同的父类,这称为“多重继承”。在Java中,类的继承只能是单继承,而多重继承可以通过实现多个接口实现。也就是说,在Java中,一个类只能继承一个父类,但是可以实现多个接口。

Tips:面向对象分析与设计(OOAD)时,会用到下面的UML图,其中类图非常重要,用来描述系统静态结构。Student继承Person的类图如下图2所示。类图中的各个元素说明如图2所示,类用矩形表示,一般分为上、中、下三个部分,上部分是类名,中部分是成员变量,下部分是成员方法。实线+空心箭头表示继承关系,箭头指向父类,箭头末端是子类。UML类图中还有很多关系,如图虚线+空心箭头表示实线关系,箭头指向接口,箭头末端是实线类。

图1

图2

继承的特性:

  • 子类拥有父类非private的属性,方法。

  • 子类可以拥有自己的属性和方法,即子类可以对父类进行扩展。

  • 子类可以用自己的方式实现父类的方法。

  • Java的继承是单继承,但是可以多重继承,单继承就是一个子类只能继承一个父类,多重继承就是,例如A类继承B类,B类继承C类,所以按照关系就是C类是B类的父类,B类是A类的父类,这是java继承区别于C++继承的一个特性。

  • 提高了类之间的耦合性(继承的缺点,耦合度高就会造成代码之间的联系)。

二、调用父类构造方法

      当子类实例化时,不仅需要初始化子类成员变量,也需要初始化父类成员变量,初始化父类成员变量需要调用父类构造方法,子类使用super关键字调用父类构造方法。下面看一个示例,现有父类Person和子类Student,它们类图如下图所示:

父类Person代码如下:

 1 //Person.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 import java.util.Date;
5
6 public class Person {
7
8 // 名字
9 private String name;
10 // 年龄
11 private int age;
12 // 出生日期
13 private Date birthDate;
14
15 // 三个参数构造方法
16 public Person(String name, int age, Date d) {
17 this.name = name;
18 this.age = age;
19 birthDate = d;
20 }
21
22 public Person(String name, int age) {
23 // 调用三个参数构造方法
24 this(name, age, new Date());
25 }
26 ...
27 }

子类Student代码如下:

 1 //Student.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 import java.util.Date;
5
6 public class Student extends Person {
7
8 // 所在学校
9 private String school;
10
11 public Student(String name, int age, Date d, String school) {
12 super(name, age, d);
13 this.school = school;
14 }
15
16 public Student(String name, int age, String school) {
17 // this.school = school;//编译错误
18 super(name, age);
19 this.school = school;
20 }
21
22 public Student(String name, String school) { // 编译错误
23 // super(name, 30);
24 this.school = school;
25 }
26 }

在Student子类代码第12行和第18行是调用父类构造方法,代码第12行super(name, age, d)语句是调用父类的Person(String name, int age, Date d)构造方法,代码第18行super(name, age)语句是调用父类的Person(String name, int age)构造方法。

Tips: super语句必须位于子类构造方法的第一行。

代码第22行构造方法由于没有super语句,编译器会试图调用父类默认构造方法(无参数构造方法),但是父类Person并没有默认构造方法,因此会发生编译错误。解决这个编译错误有三种办法:

  1. 在父类Person中添加默认构造方法,子类Student会隐式调用父类的默认构造方法。

  2. 在子类Studen构造方法添加super语句,显式调用父类构造方法,super语句必须是第一条语句。

  3. 在子类Studen构造方法添加this语句,显式调用当前对象其他构造方法,this语句必须是第一条语句。

三、成员变量隐藏和方法覆盖

3.1 成员变量隐藏      

      子类成员变量与父类一样,会屏蔽父类中的成员变量,称为“成员变量隐藏”。示例代码如下:

 1 //ParentClass.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 class ParentClass {
5 // x成员变量
6 int x = 10;
7 }
8
9 class SubClass extends ParentClass {
10 // 屏蔽父类x成员变量
11 int x = 20;
12
13 public void print() {
14 // 访问子类对象x成员变量
15 System.out.println("x = " + x);
16 // 访问父类x成员变量
17 System.out.println("super.x = " + super.x);
18 }
19 }

调用代码如下:

 1 //HelloWorld.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 public class HelloWorld {
5
6 public static void main(String[] args) {
7 //实例化子类SubClass
8 SubClass pObj = new SubClass();
9 //调用子类print方法
10 pObj.print();
11 }
12 }

运行结果如下:

x = 20
super.x = 10

上述代码第6行是在ParentClass类声明x成员变量,那么在它的子类SubClass代码第11行也声明了x成员变量,它会屏蔽父类中的x成员变量。那么代码第15行的x是子类中的x成员变量。如果要调用父类中的x成员变量,则需要super关键字,见代码第17行的super.x。

3.2 方法的覆盖

      如果子类方法完全与父类方法相同,即:相同的方法名、相同的参数列表和相同的返回值,只是方法体不同,这称为子类覆盖(Override)父类方法。示例代码如下:

 1 //ParentClass.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 class ParentClass {
5 // x成员变量
6 int x;
7
8 protected void setValue() {
9 x = 10;
10 }
11 }
12
13 class SubClass extends ParentClass {
14 // 屏蔽父类x成员变量
15 int x;
16
17 @Override
18 public void setValue() { // 覆盖父类方法
19 // 访问子类对象x成员变量
20 x = 20;
21 // 调用父类setValue()方法
22 super.setValue();
23 }
24
25 public void print() {
26 // 访问子类对象x成员变量
27 System.out.println("x = " + x);
28 // 访问父类x成员变量
29 System.out.println("super.x = " + super.x);
30 }
31 }

调用代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.Kevin;

public class HelloWorld {

public static void main(String[] args) {
//实例化子类SubClass
SubClass pObj = new SubClass();
//调用setValue方法
pObj.setValue();
//调用子类print方法
pObj.print();
}
}

运行结果如下:

x = 20
super.x = 10

上述代码第8行是在ParentClass类声明setValue方法,那么在它的子类SubClass代码第18行覆盖父类中的setValue方法,在声明方法时添加@Override注解,@Override注解不是方法覆盖必须的,它只是锦上添花,但添加@Override注解有两个好处:

  1. 提高程序的可读性。

  2. 编译器检查@Override注解的方法在父类中是否存在,如果不存在则报错。

注意:方法覆盖时应遵循的原则:

  1. 覆盖后的方法不能比原方法有更严格的访问控制(可以相同)。例如将代码第18行访问控制public修改private,那么会发生编译错误,因为父类原方法是protected。

  2. 覆盖后的方法不能比原方法产生更多的异常。

四、多态

4.1 

      多态是同一个行为具有多个不同表现形式或形态的能力,也就是同一个接口,使用不同的实例而执行不同操作,如图所示:

多态性是对象多种表现形式的体现。

现实中,比如我们按下 F1 键这个动作:

  • 如果当前在 Flash 界面下弹出的就是 AS 3 的帮助文档;
  • 如果当前在 Word 下弹出的就是 Word 帮助;
  • 在 Windows 下弹出的就是 Windows 帮助和支持。

同一个事件发生在不同的对象上会产生不同的结果。

多态的优点:

  • 1. 消除类型之间的耦合关系
  • 2. 可替换性
  • 3. 可扩充性
  • 4. 接口性
  • 5. 灵活性
  • 6. 简化性

4.2 发生多态的三个前提条件:

  1. 继承。多态发生一定要子类和父类之间。

  2. 覆盖。子类覆盖了父类的方法。

  3. 声明的变量类型是父类类型,但实例则指向子类实例。

      下面通过一个示例让我们更好地理解多态。如下图所示,父类Figure(几何图形)类有一个onDraw(绘图)方法,Figure(几何图形)它有两个子类Ellipse(椭圆形)和Triangle(三角形),Ellipse和Triangle覆盖onDraw方法。Ellipse和Triangle都有onDraw方法,但具体实现的方式不同。

具体代码如下:

 1 //Figure.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 public class Figure {
5
6 //绘制几何图形方法
7 public void onDraw() {
8 System.out.println("绘制Figure...");
9 }
10 }
11
12 //Ellipse.java文件
13 package com.Kevin;
14
15 //几何图形椭圆形
16 public class Ellipse extends Figure {
17
18 //绘制几何图形方法
19 @Override
20 public void onDraw() {
21 System.out.println("绘制椭圆形...");
22 }
23
24 }
25
26 //Triangle.java文件
27 package com.Kevin;
28
29 //几何图形三角形
30 public class Triangle extends Figure {
31
32 // 绘制几何图形方法
33 @Override
34 public void onDraw() {
35 System.out.println("绘制三角形...");
36 }
37 }

调用代码如下:

 1 //HelloWorld.java文件
2 package com.Kevin;
3 public class HelloWorld {
4 public static void main(String[] args) {
5
6 // f1变量是父类类型,指向父类实例
7 Figure f1 = new Figure();
8 f1.onDraw();
9
10 //f2变量是父类类型,指向子类实例,发生多态
11 Figure f2 = new Triangle();
12 f2.onDraw();
13
14 //f3变量是父类类型,指向子类实例,发生多态
15 Figure f3 = new Ellipse();
16 f3.onDraw();
17
18 //f4变量是子类类型,指向子类实例
19 Triangle f4 = new Triangle();
20 f4.onDraw();
21
22 }
23 }

上述带代码第11行和第15行是符合多态的三个前提,因此会发生多态。而代码第7行和第19行都不符合,没有发生多态。

运行结果如下:

绘制Figure...
绘制三角形...
绘制椭圆形...
绘制三角形...

从运行结果可知,多态发生时,Java虚拟机运行时根据引用变量指向的实例调用它的方法,而不是根据引用变量的类型调用。

4.3 引用类型检查

有时候需要在运行时判断一个对象是否属于某个引用类型,这时可以使用instanceof运算符,instanceof运算符语法格式如下:

obj instanceof type

其中obj是一个对象,type是引用类型,如果obj对象是type引用类型实例则返回true,否则false。

      为了介绍引用类型检查,先看一个示例,如下图所示的类图,展示了继承层次树,Person类是根类,Student是Person的直接子类,Worker是Person的直接子类。

继承层次树中具体实现代码如下:

 1 //Person.java文件
2 package com.Kevin;
3 public class Person {
4
5 String name;
6 int age;
7
8 public Person(String name, int age) {
9 this.name = name;
10 this.age = age;
11 }
12
13 @Override
14 public String toString() {
15 return "Person [name=" + name
16 + ", age=" + age + "]";
17 }
18 }
19
20 //Worker.java文件
21 package com.Kevin;
22 public class Worker extends Person {
23
24 String factory;
25
26 public Worker(String name, int age, String factory) {
27 super(name, age);
28 this.factory = factory;
29 }
30
31 @Override
32 public String toString() {
33 return "Worker [factory=" + factory
34 + ", name=" + name
35 + ", age=" + age + "]";
36 }
37 }
38
39 //Student.java文件
40 package com.Kevin;
41 public class Student extends Person {
42
43 String school;
44
45 public Student(String name, int age, String school) {
46 super(name, age);
47 this.school = school;
48 }
49
50 @Override
51 public String toString() {
52 return "Student [school=" + school
53 + ", name=" + name
54 + ", age=" + age + "]";
55 }
56
57 }

调用代码如下:

 1 //HelloWorld.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 public class HelloWorld {
5
6 public static void main(String[] args) {
7
8 Student student1 = new Student("Tom", 18, "清华大学");
9 Student student2 = new Student("Ben", 28, "北京大学");
10 Student student3 = new Student("Tony", 38, "香港大学");
11
12 Worker worker1 = new Worker("Tom", 18, "钢厂");
13 Worker worker2 = new Worker("Ben", 20, "电厂");
14
15 Person[] people = { student1, student2, student3, worker1, worker2 };
16
17 int studentCount = 0;
18 int workerCount = 0;
19
20 for (Person item : people) {
21 if (item instanceof Worker) {
22 workerCount++;
23 } else if (item instanceof Student) {
24 studentCount++;
25 }
26 }
27 System.out.printf("工人人数:%d,学生人数:%d", workerCount, studentCount);
28 }
29 }

上述代码第8行、9行和第10行创建了3个Student实例,代码第12行和13行创建了两个Worker实例,然后程序把这5个实例放入people数组中。

      代码第20行使用for-each遍历people数组集合,当从people数组中取出元素时,元素类型是People类型,但是实例不知道是哪个子类(Student和Worker)实例。代码第21行item instanceof Worker表达式是判断数组中的元素是否是Worker实例;类似地,第23行item instanceof Student表达式是判断数组中的元素是否是Student实例。

输出结果如下:

工人人数:2,学生人数:3

4.4 引用类型转换:

      引用类型可以进行转换,但并不是所有的引用类型都能互相转换,只有属于同一棵继承层次树中的引用类型才可以转换。示例代码如下:

 1 //HelloWorld.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 public class HelloWorld {
5
6 public static void main(String[] args) {
7
8 Person p1 = new Student("Tom", 18, "清华大学");
9 Person p2 = new Worker("Tom", 18, "钢厂");
10
11 Person p3 = new Person("Tom", 28);
12 Student p4 = new Student("Ben", 40, "清华大学");
13 Worker p5 = new Worker("Tony", 28, "钢厂");
14
15 }
16 }

上述代码创建了5个实例p1、p2、p3、p4和p5,它们的类型都是Person继承层次树中的引用类型,p1和p4是Student实例,p2和p5是Worker实例,p3是Person实例。首先,对象类型转换一定发生在继承的前提下,p1和p2都声明为Person类型,而实例是由Person子类型实例化的。

下表归纳了p1、p2、p3、p4和p5这5个实例与Worker、Student和Person这3种类型之间的转换关系。

作为这段程序的编写者是知道p1本质上是Student实例,但是表面上看是Person类型,编译器也无法推断p1的实例是Person、Student还是Worker。此时可以使用instanceof操作符来判断它是哪一类的实例。

      引用类型转换也是通过小括号运算符实现,类型转换有两个方向:将父类引用类型变量转换为子类类型,这种转换称为向下转型(downcast);将子类引用类型变量转换为父类类型,这种转换称为向上转型(upcast)。向下转型需要强制转换,而向上转型是自动的。

下面通过示例详细说明一下向下转型和向上转型,在HelloWorld.java的main方法中添加如下代码:

 1 // 向上转型
2 Person p = (Person) p4;
3
4 // 向下转型
5 Student p11 = (Student) p1;
6 Worker p12 = (Worker) p2;
7
8 // Student p111 = (Student) p2; //运行时异常
9 if (p2 instanceof Student) {
10 Student p111 = (Student) p2;
11 }
12 // Worker p121 = (Worker) p1; //运行时异常
13 if (p1 instanceof Worker) {
14 Worker p121 = (Worker) p1;
15 }
16 // Student p131 = (Student) p3; //运行时异常
17 if (p3 instanceof Student) {
18 Student p131 = (Student) p3;
19 }

上述代码第2行将p4对象转换为Person类型,p4本质上是Student实例,这是向上转型,这种转换是自动的,其实不需要小括号(Person)进行强制类型转换。

      代码第5行和第6行是向下类型转换,它们的转型都能成功。而代码第8、12、16行都会发生运行时异常ClassCastException,如果不能确定实例是哪一种类型,可以在转型之前使用instanceof运算符判断一下。

五、final关键字

5.1 final修饰变量

      final修饰的变量即成为常量,只能赋值一次,但是final所修饰局部变量和成员变量有所不同。

  1. final修饰的局部变量必须使用之前被赋值一次才能使用。

  2. final修饰的成员变量在声明时没有赋值的叫“空白final变量”。空白final变量必须在构造方法或静态代码块中初始化。

final修饰变量示例代码如下:

 1 //FinalDemo.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 class FinalDemo {
5
6 void doSomething() {
7 // 没有在声明的同时赋值
8 final int e;
9 // 只能赋值一次
10 e = 100;
11 System.out.print(e);
12 // 声明的同时赋值
13 final int f = 200;
14 }
15
16 //实例常量
17 final int a = 5; // 直接赋值
18 final int b; // 空白final变量
19
20 //静态常量
21 final static int c = 12;// 直接赋值
22 final static int d; // 空白final变量
23
24 // 静态代码块
25 static {
26 // 初始化静态变量
27 d = 32;
28 }
29
30 // 构造方法
31 FinalDemo() {
32 // 初始化实例变量
33 b = 3;
34 // 第二次赋值,会发生编译错误
35 // b = 4;
36 }
37 }

上述代码第8行和第10行是声明局部常量,其中第8行只是声明没有赋值,但必须在使用之前赋值(见代码第10行),其实局部常量最好在声明的同时初始化。

      代码第17、18、21和22行都声明成员常量。代码第17和18行是实例常量,如果是空白final变量(见代码第18行),则需要在构造方法中初始化(见代码第33行)。代码第21和22行是静态常量,如果是空白final变量(见代码第22行),则需要在静态代码块中初始化(见代码第27行)。

另外,无论是那种常量只能赋值一次,见代码第⑩行为b常量赋值,因为之前b已经赋值过一次,因此这里会发生编译错误。

5.2 final修饰类

      final修饰的类不能被继承。有时出于设计安全的目的,不想让自己编写的类被别人继承,这是可以使用final关键字修饰父类。

示例代码如下:

//SuperClass.java文件
package com.Kevin;

final class SuperClass {
}

class SubClass extends SuperClass { //编译错误
}

在声明SubClass类时会发生编译错误。

5.3 final修饰方法

      final修饰的方法不能被子类覆盖。有时也是出于设计安全的目的,父类中的方法不想被别人覆盖,这时可以使用final关键字修饰父类中方法。

示例代码如下:

 1 //SuperClass.java文件
2 package com.Kevin;
3
4 class SuperClass {
5 final void doSomething() {
6 System.out.println("in SuperClass.doSomething()");
7 }
8 }
9
10 class SubClass extends SuperClass {
11 @Override
12 void doSomething() { //编译错误
13 System.out.println("in SubClass.doSomething()");
14 }
15 }

子类中的void doSomething()方法试图覆盖父类中void doSomething()方法,父类中的void doSomething()方法是final的,因此会发生编译错误。

 

以上就是:[ Java学习基础 ] Java的继承与多态 的全部内容。

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