【Java】面向对象:继承、组合和多态

简介: 【Java】面向对象:继承、组合和多态

一. 面向对象三大特性之继承

1. 继承的概念

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(子类)。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:共性的抽取,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73d8c9be8b2a4960a39693770de0ac9a.png

上述图示中,Dog和Cat都继承了Animal类,其中:Animal类称为父类/基类/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。

2. 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 {
// ...
}

此时将 1 中的设计思想使用代码实现:

// Animal.java
public class Animal{
    String name;
    int age;
    public void eat(){
        System.out.println(name + "正在吃饭");
    }
    public void sleep(){
        System.out.println(name + "正在睡觉");
    }
}
// Dog.java
public class Dog extends Animal{
    void bark(){
        System.out.println(name + "汪汪汪~~~");
    }
}
// Cat.Java
public class Cat extends Animal{
    void mew(){
        System.out.println(name + "喵喵喵~~~");
    }
}
// TestExtend.java
public class TestExtend {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog();
        // dog类中并没有定义任何成员变量,
        //name和age属性是从父类Animal中继承下来的
        System.out.println(dog.name);
        System.out.println(dog.age);
        //dog访问的eat()和sleep()方法也是从Animal中继承下来的
        dog.eat();
        dog.sleep();
        dog.bark();
    }
}

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

3. 父类成员的访问

3.1 子类中访问父类的成员变量

  1. 子类和父类不存在同名成员变量
public class Base {
    int a;
    int b;
}
public class Derived extends Base{
    int c;
    public void method(){
        a = 10; // 访问从父类中继承下来的a
        b = 20; // 访问从父类中继承下来的b
        c = 30; // 访问子类自己的c
    }
}
  1. 子类和父类成员变量同名
public class Base {
    int a;
    int b;
    int c;
}
public class Derived extends Base{
    int a; // 与父类中成员a同名,且类型相同
    char b; // 与父类中成员b同名,但类型不同
    public void method(){
        a = 100; // 访问子类自己新增的a
        b = 101; // 访问子类自己新增的b
        c = 102; // 子类没有c,访问从父类继承下来的c
        // d = 103; // 编译失败,因为父类和子类都没有定义成员变量d
    }
}

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

3.2 子类中访问父类的成员方法

  1. 父类和子类的成员方法名字不同
public class Base {
    public void methodA(){
        System.out.println("Base中的methodA()");
    }
}
public class Derived extends Base{
    public void methodB(){
        System.out.println("Derived中的methodB()方法");
    }
    public void methodC(){
        methodB(); // 访问子类自己的methodB()
        methodA(); // 访问父类继承的methodA()
        // methodD(); // 编译失败,在整个继承体系中没有发现方法methodD()
    }
}
  1. 父类和子类的成员方法名字相同
public class Base {
    int a;
    int b;
    public void methodA(){
        System.out.println("Base中的methodA()");
    }
    public void methodB(){
        System.out.println("Base中的methodB()");
    }
}
public class Derived extends Base{
    public void methodA(int a) {
        System.out.println("Derived中的method(int)方法");
    }
    public void methodB(){
        System.out.println("Derived中的methodB()方法");
    }
    public void methodC(){
        methodA(); // 没有传参,访问父类中的methodA()
        methodA(20); // 传递int参数,访问子类中的methodA(int)
        methodB(); // 直接访问,则永远访问到的都是子类中的methodB(),基类的无法访问到
    }
}

【总结】:


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,如果父类中也没有则编译报错。

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。

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、返回值都相同,则遵循就近原则,直接访问子类中的方法,不会访问父类中的方法。

4. protected 的使用场景73d8c9be8b2a4960a39693770de0ac9a.png

结合下面代码理解父类中不同访问权限的成员在子类中的可见性:

注意:如果和子类在不同包中,父类中的成员被protected修饰,那么子类的成员方法中要想访问父类中的成员必须通过super关键字来访问;父类中private成员变量虽然在子类中不能直接访问,但是也继承到子类中了

// extend01包中
public class B {
    private int a;
    protected int b;
    public int c;
    int d;
} 
// extend01包中
// 同一个包中的子类
public class D extends B{
    public void method(){
     // super.a = 10; // 编译报错,父类private成员在相同包子类中不可见
        super.b = 20; // 父类中protected成员在相同包子类中可以直接访问
        super.c = 30; // 父类中public成员在相同包子类中可以直接访问
        super.d = 40; // 父类中默认访问权限修饰的成员在相同包子类中可以直接访问
    }
} 
// extend02包中
// 不同包中的子类
public class C extends B {
    public void method(){
      //super.a = 10; // 编译报错,父类中private成员在不同包子类中不可见
        super.b = 20; // 父类中protected修饰的成员在不同包子类中可以直接访问
        super.c = 30; // 父类中public修饰的成员在不同包子类中可以直接访问
      //super.d = 40; // 父类中默认访问权限修饰的成员在不同包子类中不能直接访问
    }
} 
// extend02包中
// 不同包中的类
public class TestC {
    public static void main(String[] args) {
        C c = new C();
        c.method();
// System.out.println(c.a); // 编译报错,父类中private成员在不同包其他类中不可见
// System.out.println(c.b); // 父类中protected成员在不同包其他类中不能直接访问
        System.out.println(c.c); // 父类中public成员在不同包其他类中可以直接访问
// System.out.println(c.d); // 父类中默认访问权限修饰的成员在不同包其他类中不能直接访问
    }
}

5. 继承方式

但在Java中只支持以下几种继承方式:73d8c9be8b2a4960a39693770de0ac9a.png

注意:Java中不支持多继承,且一般我们不希望出现超过三层的继承关系。

6. 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,这里a是常量,不可以被修改
  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

观察 String 字符串类的源码, 默认就是用 final 修饰的, 不能被继承.73d8c9be8b2a4960a39693770de0ac9a.png

  1. 修饰方法:final修饰的方法叫做密封方法,不能被重写。

7. 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。

二. 面向对象三大特性之多态

1. 多态的概念

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;**同一件事情,发生在不同对象身上,就会产生不同的结果。73d8c9be8b2a4960a39693770de0ac9a.png

2. 重写

重写(override):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】

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

被重写的方法返回值类型可以不同,但是必须是具有父子关系的

访问权限不能比父类中被重写的方法的访问权限更低。例如:如果父类方法被public修饰,则子类中重写该方法就不能声明为 protected

父类被static、private、final修饰的方法,构造方法都不能被重写。

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

【重写和重载的区别】


方法重载是一个类的多态性表现,而方法重写是子类与父类的一种多态性表现

区别点 重写(override) 重载(override)
参数列表 绝对不可以修改 必须修改
返回类型 不可以修改【除非可以构成父子类关系】 可以修改
访问限定符 不能比父类中被重写的方法的访问权限更低 可以修改

73d8c9be8b2a4960a39693770de0ac9a.png【重写的设计原则】

对于已经投入使用的类,尽量不要进行修改。最好的方式是:重新定义一个新的类,来重复利用其中共性的内容,并且添加或者改动新的内容。


静态绑定: 也称为前期绑定(早绑定),即在编译时,根据用户所传递实参类型就确定了具体调用那个方法。典型代表函数重载。


动态绑定: 也称为后期绑定(晚绑定),即在编译时,不能确定方法的行为,需要等到程序运行时,才能够确定具体调用那个类的方法。 这也是多态的特征。

3. 向上转型和向下转型

3.1 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。
Animal animal = new Cat("元宝",2);

使用场景

  1. 直接赋值
  2. 方法传参
  3. 方法返回
public class TestAnimal {
// 2. 方法传参:形参为父类型引用,可以接收任意子类的对象
    public static void eatFood(Animal a){
        a.eat();
    }
    // 3. 作返回值:返回任意子类对象
    public static Animal buyAnimal(String var){
        if("狗" == var){
            return new Dog("狗狗",1);
        }else if("猫" == var){
            return new Cat("猫猫", 1);
        }else{
            return null;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Animal cat = new Cat("元宝",2);
    // 1. 直接赋值:子类对象赋值给父类对象
        Dog dog = new Dog("小七", 1);
        eatFood(cat);
        eatFood(dog);
        Animal animal = buyAnimal("狗");
        animal.eat();
        animal = buyAnimal("猫");
        animal.eat();
    }
}
public class Animal{
    String name;
    int age;
    public void eat(){
        System.out.println(name + "正在吃饭");
    }
    public void sleep(){
        System.out.println(name + "正在睡觉");
    }
}
// Dog.java
public class Dog extends Animal{
    void bark(){
        System.out.println(name + "汪汪汪~~~");
    }
}
// Cat.Java
public class Cat extends Animal{
    void mew(){
        System.out.println(name + "喵喵喵~~~");
    }
}

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。

3.2 向下转型

将一个子类对象经过向上转型之后当成父类方法使用,再无法调用子类的方法,但有时候可能需要调用子类特有的方法,此时:将父类引用再还原为子类对象即可,即向下转型

public class TestAnimal {
    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat("元宝",2);
        Dog dog = new Dog("小七", 1);
        // 向上转型
        Animal animal = cat;
        animal.eat();
        animal = dog;
        animal.eat();
        // 编译失败,编译时编译器将animal当成Animal对象处理
        // 而Animal类中没有bark方法,因此编译失败
        // animal.bark();
        // 向上转型
        // 程序可以通过编程,但运行时抛出异常---因为:animal实际指向的是狗
        // 现在要强制还原为猫,无法正常还原,运行时抛出:ClstException
        cat = (Cat)animal;
        cat.mew();
        // animal本来指向的就是狗,因此将animal还原为狗也是安全的
        dog = (Dog)animal;
        dog.bark();
    }
}

向下转型用的比较少,而且不安全,万一转换失败,运行时就会抛异常。Java中为了提高向下转型的安全性,引入了 instanceof ,如果该表达式为true,则可以安全转换。

instanceof 是 Java 的保留关键字。它的作用是测试它左边的对象是否是它右边的类的实例,返回 boolean 的数据类型。

public class TestAnimal {
    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat("元宝",2);
        Dog dog = new Dog("小七", 1);
        // 向上转型
        Animal animal = cat;
        animal.eat();
        animal = dog;
        animal.eat(); 
        if(animal instanceof Cat){
            cat = (Cat)animal;
            cat.mew();
        } 
        if(animal instanceof Dog){
            dog = (Dog)animal;
            dog.bark();
        }
    }
}

4. 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。

实现多态的实例:

public class Animal {
    String name;
    int age;
    public Animal(String name, int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public void eat(){
        System.out.println(name + "吃饭");
    }
}
public class Cat extends Animal{
    public Cat(String name, int age){
        super(name, age);
    } 
    @Override
    public void eat(){
        System.out.println(name+"吃鱼~~~");
    }
}
public class Dog extends Animal {
    public Dog(String name, int age){
        super(name, age);
    } 
    @Override
    public void eat(){
        System.out.println(name+"吃骨头~~~");
    }
}
///分割线//
public class TestAnimal {
// 编译器在编译代码时,并不知道要调用Dog 还是 Cat 中eat的方法
// 等程序运行起来后,形参a引用的具体对象确定后,才知道调用那个方法
// 注意:此处的形参类型必须时父类类型才可以
    public static void eat(Animal a){
        a.eat();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat("元宝",2);
        Dog dog = new Dog("小七", 1);
        eat(cat);
        eat(dog);
    }
} 

执行结果:73d8c9be8b2a4960a39693770de0ac9a.png

在上述代码中, 分割线上方的代码是 类的实现者 编写的, 分割线下方的代码是 类的调用者(调用类中的方法) 编写的。

当类的调用者在编写 eat 这个方法的时候, 参数类型为 Animal (父类), 此时在该方法内部并不知道, 也不关注当前的 a 引用指向的是哪个类型(哪个子类)的实例. 此时 a这个引用调用 eat方法可能会有多种不同的表现(和 a 引用的实例相关), 这种行为就称为 多态.73d8c9be8b2a4960a39693770de0ac9a.png

5. 多态的优缺点

5.1 使用多态好处

  1. 能够降低代码的 “圈复杂度”, 避免使用大量的 if - else
  2. 圈复杂度是一种描述一段代码复杂程度的方式,计算一段代码中条件语句和循环语句出现的个数, 这个个数就称为 “圈复杂度”;如果一个方法的圈复杂度太高, 就需要考虑重构,不同公司对于代码的圈复杂度的规范不一样. 一般不会超过 10 。

例如要打印多个形状, 如果不基于多态, 实现代码如下:

public class Test{
    public static void drawShapes() {
        Rect rect = new Rect();
        Cycle cycle = new Cycle();
        Flower flower = new Flower();
        String[] shapes = {"cycle", "rect", "cycle", "rect", "flower"};
        for (String shape : shapes) {
            if (shape.equals("cycle")) {
                cycle.draw();
            } else if (shape.equals("rect")) {
                rect.draw();
            } else if (shape.equals("flower")) {
                flower.draw();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        drawShapes();
    }
}
class Shape {
    //属性....
    public void draw() {
        System.out.println("画图形!");
    }
}
class Rect extends Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("♦");
    }
}
class Cycle extends Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("●");
    }
}
class Flower extends Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("❀");
    }
}

如果使用使用多态, 则不必写这么多的 if - else 分支语句, 代码更简单

public static void drawShapes() {
    // 我们创建了一个 Shape 对象的数组.
        Shape[] shapes = {
                new Cycle(),
                new Rect(),
                new Cycle(),
                new Rect(),
                new Flower()
        };
        for (Shape shape : shapes) {
            shape.draw();
        }
}

可扩展能力更强

如果要新增一种新的形状, 使用多态的方式代码改动成本也比较低.


对于类的调用者来说(drawShapes方法), 只要创建一个新类的实例就可以了, 改动成本很低;而对于不用多态的情况, 就要把 drawShapes 中的 if - else 进行一定的修改, 改动成本更高。

class Triangle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("△");
    }
}

5.2 多态的缺陷

  1. 代码的运行效率降低
  2. 属性没有多态性,当父类和子类都有同名属性的时候,通过父类引用,只能引用父类自己的成员属性 。
  3. 构造方法没有多态性 。
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