Java继承与多态：释放对象的强大力量

### Java 继承与多态：释放对象的强大力量 #### 1. 继承中的 IS - A 测试 IS - A 测试在继承树的任何位置都适用。如果继承树设计良好，当询问任何子类是否属于其某个超类型时，IS - A 测试应该是合理的。例如，如果类 B 继承自类 A，那么类 B 就是类 A 的一种，即 “B IS - A A”。这种关系在继承树中普遍成立，如果类 C 继承自类 B，那么类 C 对于 B 和 A 都通过 IS - A 测试。 以下是一个动物继承树的示例： ```plaintext size picture food prey Wolf Canine roam() makeNoise() eat() Animal makeNoise() eat() sleep() roam() Canine extends Animal Wolf extends Canine Wolf extends Animal Canine IS - A Animal Wolf IS - A Canine Wolf IS - A Animal ``` 在这个继承树中，我们可以始终说 “Wolf extends Animal” 或 “Wolf IS - A Animal”，无论 Animal 是 Wolf 的直接超类还是超类的超类。只要 Animal 在 Wolf 的继承层次结构中处于上方，“Wolf IS - A Animal” 就始终为真。这意味着 Wolf 可以执行 Canine 和 Animal 能做的任何事情，即使 Wolf 重写了 Animal 或 Canine 中的某些方法。 我们可以通过 IS - A 测试来验证以下关系是否合理： |关系|是否合理| | ---- | ---- | |Oven extends Kitchen|否| |Guitar extends Instrument|是| |Person extends Employee|否| |Ferrari extends Engine|否| |FriedEgg extends Food|是| |Beagle extends Pet|是| |Container extends Jar|否| |Metal extends Titanium|否| |GratefulDead extends Band|是| |Blonde extends Smart|否| |Beverage extends Martini|否| 继承的 IS - A 关系是单向的。例如，“Triangle IS - A Shape” 是合理的，所以 Triangle 可以继承自 Shape；但 “Shape IS - A Triangle” 不合理，所以 Shape 不应该继承自 Triangle。 #### 2. 访问级别与继承 访问级别控制着谁能看到什么，对于设计良好、健壮的 Java 代码至关重要。这里主要关注 public 和 private 访问级别，规则如下： - 子类继承成员时，就好像子类自己定义了这些成员一样。例如，在 Shape 示例中，Square 继承了 rotate() 和 playSound() 方法，对于外部代码来说，Square 类就拥有这两个方法。 - 类的成员包括类中定义的变量和方法，以及从超类继承的任何内容。 - public 成员可以被继承，private 成员不能被继承。 Java 中有四种访问级别，从最严格到最宽松依次为： ```plaintext private default protected public ``` #### 3. 关于继承的常见问题解答 - **超类能否使用子类版本的方法**：超类不一定知道它的任何子类。即使超类的创建者知道并想使用子类版本的方法，也不存在反向继承。就像孩子从父母那里继承，而不是相反。 - **在子类中如何同时使用超类版本和子类重写版本的方法**：可以使用 `super` 关键字。例如： ```java public void roam() { super.roam(); // my own roam stuff } ``` 这段代码先调用继承的 `roam()` 方法，然后执行子类特定的代码。 #### 4. 继承的规则和注意事项 以下是一些关于继承的规则和建议： - 子类继承超类的所有 public 实例变量和方法，但不继承 private 实例变量和方法。 - 继承的方法可以被重写，但实例变量不能被重写（虽然可以在子类中重新定义，但这不是一回事，而且几乎没有必要这样做）。 - 使用 IS - A 测试来验证继承层次结构的有效性。如果 “X extends Y”，那么 “X IS - A Y” 必须合理。 - IS - A 关系是单向的。例如，“A Hippo is an Animal” 为真，但 “All Animals are Hippos” 为假。 - 当子类重写方法并在子类实例上调用该方法时，将调用重写版本的方法。 - 如果类 B 继承自 A，类 C 继承自 B，那么 “B IS - A A”，“C IS - A B”，并且 “C IS - A A”。 在设计继承时，我们应该： - 当一个类是超类的更具体类型时使用继承。例如，“Willow extends Tree” 是合理的，因为 Willow 是 Tree 的更具体类型。 - 当有行为（已实现的代码）需要在同一通用类型的多个类之间共享时考虑使用继承。例如，Square、Circle 和 Triangle 都需要旋转和播放声音，将这些功能放在超类 Shape 中可能是合理的，这样便于维护和扩展。 但我们不应该仅仅为了重用另一个类的代码而使用继承，如果超类和子类之间的关系违反了上述两条规则。例如，让 Piano 继承自 Alarm 以获取打印代码是不合理的，因为 Piano 不是 Alarm 的更具体类型。同时，子类和超类必须通过 IS - A 测试。 #### 5. 继承的好处 继承带来了以下好处： - **避免重复代码**：将公共代码放在一个地方，让子类从超类继承这些代码。当需要更改该行为时，只需在一个地方进行修改，所有子类都会看到更改。 - **定义一组类的公共协议**：通过在超类中定义方法，这些方法可以被子类继承，就向其他代码宣布了一种协议，即 “所有我的子类型（即子类）都可以使用这些方法做这些事情”。例如，Animal 类为所有 Animal 子类型建立了一个公共协议： ```plaintext Animal makeNoise() eat() sleep() roam() ``` 这告诉世界，任何 Animal 都可以执行这四个操作，包括方法的参数和返回类型。 #### 6. 多态的工作原理 在了解多态之前，我们先看看通常声明引用和创建对象的方式： ```java Dog myDog = new Dog(); ``` 这个语句包含三个步骤： 1. **声明引用变量**：告诉 JVM 为引用变量分配空间，该引用变量的类型永远是 Dog，就像一个只能控制 Dog 对象的遥控器。 2. **创建对象**：告诉 JVM 在可垃圾回收的堆上为新的 Dog 对象分配空间。 3. **将对象和引用关联起来**：将新创建的 Dog 对象赋值给引用变量 myDog，就像为遥控器编程一样。 在这种情况下，引用类型和对象类型是相同的，都是 Dog。但在多态中，引用和对象可以是不同的。例如： ```java Animal myDog = new Dog(); ``` 这里引用变量类型声明为 Animal，但对象是新创建的 Dog 对象。 #### 7. 多态的实际应用 多态允许引用类型是实际对象类型的超类。以下是一个多态数组的示例： ```java Animal[] animals = new Animal[5]; animals [0] = new Dog(); animals [1] = new Cat(); animals [2] = new Wolf(); animals [3] = new Hippo(); animals [4] = new Lion(); for (int i = 0; i < animals.length; i++) { animals[i].eat(); animals[i].roam(); } ``` 在这个示例中，我们声明了一个 Animal 类型的数组，然后可以将任何 Animal 的子类对象放入该数组中。通过遍历数组并调用 Animal 类的方法，每个对象都会执行正确的操作。 多态还可以用于方法的参数和返回类型。例如： ```java c ```