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【Java SE】如何解读Java的继承和多态的特性？

乘风 • • IT • 阅读 33

前言

什么是继承和多态，为什么被称为Java三大特性，这两大特性为我们程序员带来了什么影响呢？是让复杂的代码简化了，还是为程序员写代码提供了多样性呢？那让我们一起来揭开这层神秘的面纱吧！

1.继承

1.1为什么需要继承
Java中使用类对现实世界中实体来进行描述，类经过实例化之后的产物对象，则可以用来表示现实中的实体，但是现实世界错综复杂，事物之间可能会存在一些关联，那在设计程序是就需要考虑。
比如：猫和狗都是动物
我们就可以设计这样的代码：

public class Cat {
    //成员变量
    public String name;
    public String color;
    public int age;
    //成员方法
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"正在吃");
    }
    public void barks() {
        System.out.println(this.name+"喵喵叫");
    }
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"正在睡觉");
    }
}

public class Dog {
    //成员变量
    public String name;
    public String color;
    public int age;
    //成员方法
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"正在吃");
    }
    public void barks() {
        System.out.println(this.name+"汪汪叫");
    }
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"正在睡觉");
    }
}


在这两个代码中，有一些数据相同的代码，这样显得代码比较冗余。
我们就需要将这些代码进行共性抽取，在面向对象中就提出继承来进行共性抽取，代码复用。
1.2 继承概念
继承(inheritance)机制：是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段，它允许程序员在保持原有类(基类)特性的基础上进行扩展，增加新功能，这样产生新的类，称派生类。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构， 体现了由简单到复杂的认知过程。继承主要解决的问题是：共性的，实现代码复用。
例如：狗和猫都是动物，那么我们就可以将共性的内容进行抽取，然后采用继承的思想来达到共用。

上述图示中，Dog和Cat都继承了Animal类，其中：Animal类称为父类/基类或超类，Dog和Cat可以称为Animal的子类/派生类，继承之后，子类可以复用父类中成员，子类在实现时只需关心自己新增加的成员即可。从继承概念中可以看出继承最大的作用就是：实现代码复用，还有就是来实现多态(后序讲)。

1.3 继承的语法
在Java中如果要表示类之间的继承关系，需要借助extends关键字，具体如下：

修饰符 class 子类 extends 父类 {
// ... 
}

对1.2中场景使用继承方式重新设计：

class Dog extends Animal {
    public void wag() {
        System.out.println(this.name+"摇尾巴");
    }
}
class Cat extends Animal {
    public void barks() {
        System.out.println(this.name+"喵喵叫");
    }
}
public class Animal {
    //成员变量
    public String name;
    public String color;
    public int age;
    //成员方法
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"正在吃");
    }
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"正在睡觉");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat();
        cat.eat();//eat() sleep() 都是从父类Animal继承过来的
        cat.sleep();
        cat.barks();//这是cat自己特有的
        Dog dog = new Dog();
        dog.sleep();//eat() sleep() 都是从父类Animal继承过来的
        dog.eat();
        dog.wag();//这是dog特有的
    }
}

注意：

  1. 子类会将父类中的成员变量或者成员方法继承到子类中了
  2. 子类继承父类之后，必须要新添加自己特有的成员，体现出与基类的不同，否则就没有必要继承了

1.4 父类成员访问
在继承体系中，子类将父类中的方法和字段继承下来了，那在子类中能否直接访问父类中继承下来的成员呢？
1.4.1 子类中访问父类的成员变量
3. 子类和父类不存在同名成员变量

public class Base {
    int a;
    int b;
}
class Derived extends Base {
    int c;
    public void method() {
        a = 100;//是从父类继承过来的
        b = 200;//是从父类继承过来的
        c = 300;//自己本身的
    }
}
  1. 子类和父类成员变量同名
public class Base {
    int a;
    int b;
    int c;
}
class Derived extends Base {
    int a;
    char b;
    public void method() {
        a = 100;//这是继承下来的还是自己本身？
        b = 200;//类型不同，但变量相同 这是继承下来的还是自己本身？
        c = 300;//这是继承下来的
    }
}


在调试下：
在子类方法中 或者 通过子类对象访问成员时：
如果访问的成员变量子类中有，优先访问自己的成员变量。
如果访问的成员变量子类中无，则访问父类继承下来的，如果父类也没有定义，则编译报错。
如果访问的成员变量与父类中成员变量同名，则优先访问自己的。
成员变量访问遵循就近原则，自己有优先自己的，如果没有则向父类中找。

1.4.2 子类中访问父类的成员方法

  1. 成员方法名字不同
public class Base {
    int a;
    int b;
    public void methodB() {
        System.out.println("父类的方法");
    }
}
class Derived extends Base {
    int c;
    public void methodD() {
        System.out.println("子类的方法");
    }
    public void method() {
        a = 100;//是从父类继承过来的
        b = 200;//是从父类继承过来的
        c = 300;//自己本身的
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived derived = new Derived();
        derived.methodB();//父类的方法
        derived.methodD();//子类的方法
    }
}
  1. 成员方法名字相同
public class Base {
    int a;
    int b;
    int c;
    public void method() {
        System.out.println("父类的方法");
    }
}
class Derived extends Base {
    int a;
    char b;
    public void method() {
        a = 100;//这是继承下来的还是自己本身？
        b = 200;//类型不同，但变量相同 这是继承下来的还是自己本身？
        c = 300;//这是继承下来的
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived derived = new Derived();
        derived.method();//这是子类的方法还是父类的方法？
    }
}


在调试下：
通过子类对象访问父类与子类中不同名方法时，优先在子类中找，找到则访问，否则在父类中找，找到则访问，否则编译报错。
通过派生类对象访问父类与子类同名方法时，如果父类和子类同名方法的参数列表不同(重载)，根据调用方法适传递的参数选择合适的方法访问，如果没有则报错；

问题：如果子类中存在与父类中相同的成员时，那如何在子类中访问父类相同名称的成员呢？

1.5 super关键字
由于设计不好，或者因场景需要，子类和父类中可能会存在相同名称的成员，如果要在子类方法中访问父类同名成员时，该如何操作？直接访问是无法做到的，Java提供了super关键字，该关键字主要作用：在子类方法中访问父类的成员。

public class Base {
    int a;
    int b;
    int c;
    public void methodA() {
        System.out.println("子类中的methodA()");
    }
    public void methodB() {
        System.out.println("子类中的methodB()");
    }
}
class Derived extends Base {
    int a;
    char b;
    public void method() {
        super.a = 100;//通过super关键字访问父类中的a,b
        super.b = 200;
        c = 300;//这是继承下来的
        super.methodA();//访问的是父类的方法A
        super.methodB();//访问的是父类的方法B
        this.methodA();//访问的是子类的方法A
        this.methodB();//访问的是子类的方法B
    }
    public void methodA() {
        System.out.println("子类中的methodA()");
    }
    public void methodB() {
        System.out.println("子类中的methodB()");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived derived = new Derived();
    }
}



在子类方法中，如果想要明确访问父类中成员时，借助super关键字即可。
【注意事项】

  1. 只能在非静态方法中使用
  2. 在子类方法中，访问父类的成员变量和方法。

1.6 子类构造方法
父子父子，先有父再有子，即：子类对象构造时，需要先调用基类构造方法，对基类的成员变量进行初始化，然后执行子类的构造方法。

public class Animal {
    public String name;
    public int age;
    public Animal(String name) {
        System.out.println("父类有参的构造方法");
    }
}
class Dog extends Animal {
    public String color;

    public Dog(String name) {
        super(name);
        System.out.println("子类的有参构造方法");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog("小黄");
        
    }
}


在子类构造方法中，并没有写任何关于基类构造的代码，但是在构造子类对象时，先执行基类的构造方法，然后执行子类的构造方法，因为：子类对象中成员是有两部分组成的，基类继承下来的以及子类新增加的部分 。父子父子肯定是先有父再有子，所以在构造子类对象时候 ，先要调用基类的构造方法，将从基类继承下来的成员构造完整，然后再调用子类自己的构造方法，将子类自己新增加的成员初始化完整 。

注意：

  1. 若父类显式定义无参或者默认的构造方法，在子类构造方法第一行默认有隐含的super()调用，即调用基类构造方法
  2. 如果父类构造方法是带有参数的，此时需要用户为子类显式定义构造方法，并在子类构造方法中选择合适的父类构造方法调用，否则编译失败。
  3. 在子类构造方法中，super(…)调用父类构造时，必须是子类构造函数中第一条语句。
  4. super(…)只能在子类构造方法中出现一次，并且不能和this同时出现

1.7 super和this
super和this都可以在成员方法中用来访问：成员变量和调用其他的成员函数，都可以作为构造方法的第一条语句，那他们之间有什么区别呢？

【相同点】

  1. 都是Java中的关键字
  2. 只能在类的非静态方法中使用，用来访问非静态成员方法和字段
  3. 在构造方法中调用时，必须是构造方法中的第一条语句，并且不能同时存在

【不同点】

  1. this是当前对象的引用，当前对象即调用实例方法的对象，super相当于是子类对象中从父类继承下来部分成员的引用
  2. 在非静态成员方法中，this用来访问本类的方法和属性，super用来访问父类继承下来的方法和属性
  3. 在构造方法中：this(…)用于调用本类构造方法，super(…)用于调用父类构造方法，两种调用不能同时在构造
    方法中出现
  4. 构造方法中一定会存在super(…)的调用，用户没有写编译器也会增加，但是this(…)用户不写则没有


1.8 再谈初始化
我们还记得之前讲过的代码块吗？我们简单回顾一下几个重要的代码块：实例代码块和静态代码块。在没有继承关系时的执行顺序。

public class Base {
    static {
        System.out.println("Base::static");
    }
    {
        System.out.println("Base实例代码块");
    }
    public Base() {
        System.out.println("Base构造方法");
    }
}
class Derived extends Base {
    static {
        System.out.println("Derived::static");
    }
    {
        System.out.println("Derived实例代码块");
    }
    public Derived() {
        System.out.println("Derived构造方法");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived derived = new Derived();
        System.out.println("==================");
        Derived derived1 = new Derived();
    }
}


通过分析执行结果，得出以下结论：
1、父类静态代码块优先于子类静态代码块执行，且是最早执行
2、父类实例代码块和父类构造方法紧接着执行
3、子类的实例代码块和子类构造方法紧接着再执行
4、第二次实例化子类对象时，父类和子类的静态代码块都将不会再执行

1.9 继承方式
在Java中只支持以下几种继承方式：

注意：Java中不支持多继承.
时刻牢记, 我们写的类是现实事物的抽象. 而我们真正在公司中所遇到的项目往往业务比较复杂, 可能会涉及到一系列复杂的概念, 都需要我们使用代码来表示, 所以我们真实项目中所写的类也会有很多. 类之间的关系也会更加复杂.
但是即使如此, 我们并不希望类之间的继承层次太复杂. 一般我们不希望出现超过三层的继承关系. 如果继承层次太多, 就需要考虑对代码进行重构了.
如果想从语法上进行限制继承, 就可以使用 final 关键字

1.10 final 关键字
final关键可以用来修饰变量、成员方法以及类。

  1. 修饰变量或字段，表示常量(即不能修改)
final int a = 10;
a = 20; // 编译出错
  1. 修饰类：表示此类不能被继承
final public class Animal {
...
}
public class Bird extends Animal {
...
}
// 编译出错
Error:(3, 27) java: 无法从最终com.bit.Animal进行继


我们平时是用的 String 字符串类, 就是用 final 修饰的, 不能被继承.

  1. 修饰方法：表示该方法不能被重写(后序介绍)

1.11 继承与组合

和继承类似, 组合也是一种表达类之间关系的方式, 也是能够达到代码重用的效果。组合并没有涉及到特殊的语法
(诸如 extends 这样的关键字), 仅仅是将一个类的实例作为另外一个类的字段。
继承表示对象之间是is-a的关系，比如：狗是动物，猫是动物
组合表示对象之间是has-a的关系，比如：汽车

汽车和其轮胎、发动机、方向盘、车载系统等的关系就应该是组合，因为汽车是有这些部件组成的。

// 轮胎类
class Tire{
// ...
}
// 发动机类
class Engine{
// ...
}
// 车载系统类
class VehicleSystem{
// ...
}
class Car{
private Tire tire; // 可以复用轮胎中的属性和方法
private Engine engine; // 可以复用发动机中的属性和方法
private VehicleSystem vs; // 可以复用车载系统中的属性和方法
// ...
}
// 奔驰是汽车
class Benz extend Car{
// 将汽车中包含的：轮胎、发送机、车载系统全部继承下来
}

组合和继承都可以实现代码复用，应该使用继承还是组合，需要根据应用场景来选择，一般建议：能用组合尽量用组合。

组合与继承的区别和联系

在继承结构中，父类的内部细节对于子类是可见的。所以我们通常也可以说通过继承的代码复用是一种白盒式代码复用。（如果基类的实现发生改变，那么派生类的实现也将随之改变。这样就导致了子类行为的不可预知性；）

组合是通过对现有的对象进行拼装（组合）产生新的、更复杂的功能。因为在对象之间，各自的内部细节是不可见的，所以我们也说这种方式的代码复用是黑盒式代码复用。（因为组合中一般都定义一个类型，所以在编译期根本不知道具体会调用哪个实现类的方法）

继承，在写代码的时候就要指名具体继承哪个类，所以，在编译期就确定了关系。（从基类继承来的实现是无法在运行期动态改变的，因此降低了应用的灵活性。）

组合，在写代码的时候可以采用面向接口编程。所以，类的组合关系一般在运行期确定。

2 多态

2.1 多态的概念
多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同 的状态。


总的来说：同一件事情，发生在不同对象身上，就会产生不同的结果。

2.2 多态实现条件
在java中要实现多态，必须要满足如下几个条件，缺一不可：

  1. 必须在继承体系下
  2. 子类必须要对父类中方法进行重写
  3. 通过父类的引用调用重写的方法

多态体现：在代码运行时，当传递不同类对象时，会调用对应类中的方法。

public class Animal {
    public String name;
    public Animal(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"吃东西");
    }
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"在睡觉");
    }
}
class Dog extends Animal {

    public Dog(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"在吃狗粮");
    }

    @Override
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"在狗窝睡觉");
    }
}
class Cat extends Animal {

    public Cat(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"在吃猫粮");
    }

    @Override
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"在猫窝睡觉");
    }
}

public class Test {
    public static void test(Animal animal) {
        animal.sleep();
        animal.eat();
    }
    public static void main(String[] args) {
        test(new Dog("小黄"));
        test(new Cat("喵喵"));
    }
}

运行结果：

我们先不管这个这个结果怎么来的，我们先来看看实现多态的三个必要条件。

1.必须是在继承下：
上述代码很清晰的显示是在继承下实现的。
2.子类必须对父类的方法重写
那我们来了解什么是重写：
也称为覆盖。重写是子类对父类非静态、非private修饰，非final修饰，非构造方法等的实现过程
进行重新编写, 返回值和形参都不能改变。即外壳不变，核心重写！重写的好处在于子类可以根据需要，定义特定于自己的行为。 也就是说子类能够根据需要实现父类的方法。

【方法重写的规则】
1.子类在重写父类的方法时，一般必须与父类方法原型一致： 返回值类型 方法名 (参数列表) 要完全一致
2.被final修饰的方法不可以被重写，这个叫密封方法
3.被static和private修饰的方法也不可以被重写
4.子类重写父类的方法时限定访问符必须大于等于父类的限定访问符
5.重写的方法, 可以使用 @Override 注解来显式指定. 有了这个注解能帮我们进行一些合法性校验. 例如不小心将方法名字拼写错了 (比如写成 aet), 那么此时编译器就会发现父类中没有 aet 方法, 就会编译报错, 提示无法构成重写
6.构造方法不可以被重写
特殊情况：
以父类为返回值和以子类为返回值构成重写，被称为协变类型。

public class Animal {
    public Animal test() {
        System.out.println("以父类为返回类型");
        return null;
    }
}
class Dog extends Animal {
    @Override
    public Dog test() {
        System.out.println("以子类为返回类型");
        return null;
    }
}


public class Test {
    public static void fun(Animal animal) {
        animal.test();
    }
    public static void main(String[] args) {
        fun(new Dog());
    }
}

运行结果：

3. 通过父类的引用调用重写的方法
想要通过父类的引用来调写重写的方法：
必须要向上转型：
向上转型：实际就是创建一个子类对象，将其当成父类对象来使用。
语法格式：父类类型 对象名 = new 子类类型()

Animal animal = new Cat("元宝",2);

animal是父类类型，但可以引用一个子类对象，因为是从小范围向大范围的转换。

向上转型有三种方式：
1.直接赋值的方式：

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Animal animal = new Dog("旺财");
        animal.eat();
        animal.sleep();
        Animal animal1 = new Cat("小花");
    }
}

2.以传参的方式：

public class Test {
    public static void test(Animal animal) {
        animal.sleep();
        animal.eat();
    }
    public static void main(String[] args) {
        test(new Dog("小黄"));
        test(new Cat("喵喵"));
    }

3.以返回类型

public class Test2 {
    public static Animal func() {
        return new Dog("小黑");
    }
    public static void main(String[] args) {
        func().eat();
        func().sleep();
    }
}

向上转型的优点：让代码实现更简单灵活。
向上转型的缺陷：不能调用到子类特有的方法

通过了解实现多态的三个必要条件，我们对上面的代码是怎么实现的已经知道了一个大概了解，但是还有一点，我对子类重写父类的方法，再调用的时候为什么是实现子类的方法而不是实现父类的方法？这个问题就让我们一起来探讨吧！

要解决这个问题我们就需要了解什么叫动态绑定和什么叫静态绑定。
**动态绑定：**在编译的时候，编译器还没确定调用父类的方法还是子类的方法，在这个期间是先调用父类的方法。然后到运行的时候，编译器绑定到了子类的方法，这个就叫作动态绑定。
**静态绑定：**在编译的时候，编译器就已经确定调用父类的方法还是子类的方法。

在明白这个之后，我们对上述的代码如何去实现的就一目了然了。

2.3避免在构造方法中调用重写的方法

public class A {
    public A() {
        fun1();
    }
    public void fun1() {
        System.out.println("父类中的重写方法");
    }
}
class B extends A {
    public int num =1;
    public B() {
        System.out.println("子类的构造方法");
    }

    @Override
    public void fun1() {
        System.out.println("子类的重写方法");
    }
}


public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new B();
        a.fun1();
    }
}


构造 D 对象的同时, 会调用 B 的构造方法.
B 的构造方法中调用了 func 方法, 此时会触发动态绑定, 会调用到 D 中的 func
此时 D 对象自身还没有构造, 此时 num 处在未初始化的状态, 值为 0.

结论: “用尽量简单的方式使对象进入可工作状态”, 尽量不要在构造器中调用方法(如果这个方法被子类重写, 就会触发动态绑定, 但是此时子类对象还没构造完成), 可能会出现一些隐藏的但是又极难发现的问题

结尾：
上一章：【Java SE】 详解java访问限定符
下一章：【Java SE】 带你走近Java的抽象类与接口
希望大家可以给我点点关注，点点赞，你们的支持就是我的最大鼓励。🌹🌹🌹🌹🌹🌹🌹🌹🌹🌹🌹🌹🌹🌹

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