[ Java学习基础 ] Java的继承与多态

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！

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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：

//Person.java文件
package com.Kevin;

import java.util.Date;

public class Person {

    // 名字
    private String name;
    // 年龄
    private int age;
    // 出生日期
    private Date birthDate;

    public String getInfo() {
        return "Person [name=" + name
                + ", age=" + age
                + ", birthDate=" + birthDate + "]";
    }

}

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：

//Student.java文件
package com.Kevin;

import java.util.Date;

public class Student {

    // 所在学校
    public String school;
    // 名字
    private String name;
    // 年龄
    private int age;
    // 出生日期
    private Date birthDate;

    public String getInfo() {
        return "Person [name=" + name
                + ", age=" + age
                + ", birthDate=" + birthDate + "]";
    }
}

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：

//Student.java文件
package com.Kevin;

import java.util.Date;

public class Student extends Person {
    // 所在学校
    private String school;
}

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：

//Person.java文件
package com.Kevin;

import java.util.Date;

public class Person {

    // 名字
    private String name;
    // 年龄
    private int age;
    // 出生日期
    private Date birthDate;

    // 三个参数构造方法
    public Person(String name, int age, Date d) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        birthDate = d;
    }

    public Person(String name, int age) {
        // 调用三个参数构造方法
        this(name, age, new Date());
    }
    ...
}

子类Student代码如下：

//Student.java文件
package com.Kevin;

import java.util.Date;

public class Student extends Person {

    // 所在学校
    private String school;

    public Student(String name, int age, Date d, String school) {
        super(name, age, d);                                        
        this.school = school;
    }

    public Student(String name, int age, String school) {
        // this.school = school;//编译错误
        super(name, age);                                           
        this.school = school;
    }

    public Student(String name, String school) { // 编译错误        
        // super(name, 30);
        this.school = school;
    }
}

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：

//ParentClass.java文件
package com.Kevin;

class ParentClass {
    // x成员变量
    int x = 10;                                
}

class SubClass extends ParentClass {
    // 屏蔽父类x成员变量
    int x = 20;                                

    public void print() {
        // 访问子类对象x成员变量
        System.out.println("x = " + x);                
        // 访问父类x成员变量
        System.out.println("super.x = " + super.x);    
    }
}

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();
        //调用子类print方法
        pObj.print();
    }
}

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：

//ParentClass.java文件
package com.Kevin;

class ParentClass {
    // x成员变量
    int x;

    protected void setValue() {                     
        x = 10;
    }
}

class SubClass extends ParentClass {
    // 屏蔽父类x成员变量
    int x;

    @Override
    public void setValue() { // 覆盖父类方法        
        // 访问子类对象x成员变量
        x = 20;
        // 调用父类setValue()方法
        super.setValue();
    }

    public void print() {
        // 访问子类对象x成员变量
        System.out.println("x = " + x);
        // 访问父类x成员变量
        System.out.println("super.x = " + super.x);
    }
}

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：

//Figure.java文件
package com.Kevin;

public class Figure {

    //绘制几何图形方法
    public void onDraw() {
        System.out.println("绘制Figure...");
    }
}

//Ellipse.java文件
package com.Kevin;

//几何图形椭圆形
public class Ellipse extends Figure {

    //绘制几何图形方法
    @Override
    public void onDraw() {
        System.out.println("绘制椭圆形...");
    }

}

//Triangle.java文件
package com.Kevin;

//几何图形三角形
public class Triangle extends Figure {

    // 绘制几何图形方法
    @Override
    public void onDraw() {
        System.out.println("绘制三角形...");
    }
}

调用代码如下：

//HelloWorld.java文件
package com.Kevin;
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {

        // f1变量是父类类型，指向父类实例
        Figure f1 = new Figure();                        
        f1.onDraw();

        //f2变量是父类类型，指向子类实例，发生多态
        Figure f2 = new Triangle();                      
        f2.onDraw();

        //f3变量是父类类型，指向子类实例，发生多态
        Figure f3 = new Ellipse();                       
        f3.onDraw();

        //f4变量是子类类型，指向子类实例
        Triangle f4 = new Triangle();                    
        f4.onDraw();

    }
}

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：

//Person.java文件
package com.Kevin;
public class Person {

    String name;
    int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person [name=" + name
                + ", age=" + age + "]";
    }
}

//Worker.java文件
package com.Kevin;
public class Worker extends Person {

    String factory;

    public Worker(String name, int age, String factory) {
        super(name, age);
        this.factory = factory;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Worker [factory=" + factory
                + ", name=" + name
                + ", age=" + age + "]";
    }
}

//Student.java文件
package com.Kevin;
public class Student extends Person {

    String school;

    public Student(String name, int age, String school) {
        super(name, age);
        this.school = school;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student [school=" + school
                + ", name=" + name
                + ", age=" + age + "]";
    }

}

调用代码如下：

//HelloWorld.java文件
package com.Kevin;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        Student student1 = new Student("Tom", 18, "清华大学");          
        Student student2 = new Student("Ben", 28, "北京大学");
        Student student3 = new Student("Tony", 38, "香港大学");        

        Worker worker1 = new Worker("Tom", 18, "钢厂");                 
        Worker worker2 = new Worker("Ben", 20, "电厂");                 

        Person[] people = { student1, student2, student3, worker1, worker2 };    

        int studentCount = 0;
        int workerCount = 0;

        for (Person item : people) {                 
            if (item instanceof Worker) {            
                workerCount++;
            } else if (item instanceof Student) {    
                studentCount++;
            }
        }
        System.out.printf("工人人数：%d，学生人数：%d", workerCount, studentCount);
    }
}

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：

//HelloWorld.java文件
package com.Kevin;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        Person p1 = new Student("Tom", 18, "清华大学");
        Person p2 = new Worker("Tom", 18, "钢厂");

        Person p3 = new Person("Tom", 28);
        Student p4 = new Student("Ben", 40, "清华大学");
        Worker p5 = new Worker("Tony", 28, "钢厂");
        …
    }
}

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：

// 向上转型
Person p = (Person) p4;            

// 向下转型
Student p11 = (Student) p1;        
Worker p12 = (Worker) p2;          

// Student p111 = (Student) p2;    //运行时异常    
if (p2 instanceof Student) {
    Student p111 = (Student) p2;
}
// Worker p121 = (Worker) p1;    //运行时异常      
if (p1 instanceof Worker) {
    Worker p121 = (Worker) p1;
}
// Student p131 = (Student) p3;    //运行时异常    
if (p3 instanceof Student) {
    Student p131 = (Student) p3;
}

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：

//FinalDemo.java文件
package com.Kevin;

class FinalDemo {

    void doSomething() {
        // 没有在声明的同时赋值
        final int e;                    
        // 只能赋值一次
        e = 100;                        
        System.out.print(e);
        // 声明的同时赋值
        final int f = 200;              
    }

    //实例常量
    final int a = 5; // 直接赋值        
    final int b; // 空白final变量       

    //静态常量
    final static int c = 12;// 直接赋值     
    final static int d; // 空白final变量    

    // 静态代码块
    static {
        // 初始化静态变量
        d = 32;                          
    }

    // 构造方法
    FinalDemo() {
        // 初始化实例变量
        b = 3;                           
        // 第二次赋值，会发生编译错误
        // b = 4;                        
    }
}

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：

//SuperClass.java文件
package com.Kevin;

class SuperClass {
    final void doSomething() {
        System.out.println("in SuperClass.doSomething()");
    }
}

class SubClass extends SuperClass {
    @Override
    void doSomething() { //编译错误
        System.out.println("in SubClass.doSomething()");
    }
}

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。