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【Java】面向对象:继承、组合和多态

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✨系列专栏:【Java SE】
✨一句短话: 难在坚持,贵在坚持,成在坚持!

文章目录

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

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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.javapublicclassAnimal{String name;int age;publicvoideat(){System.out.println(name +"正在吃饭");}publicvoidsleep(){System.out.println(name +"正在睡觉");}}// Dog.javapublicclassDogextendsAnimal{voidbark(){System.out.println(name +"汪汪汪~~~");}}// Cat.JavapublicclassCatextendsAnimal{voidmew(){System.out.println(name +"喵喵喵~~~");}}// TestExtend.javapublicclassTestExtend{publicstaticvoidmain(String[] args){Dog dog =newDog();// 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
publicclassBase{int a;int b;}publicclassDerivedextendsBase{int c;publicvoidmethod(){
        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
publicclassBase{int a;int b;int c;}publicclassDerivedextendsBase{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publicvoidmethod(){
        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
publicclassBase{publicvoidmethodA(){System.out.println("Base中的methodA()");}}publicclassDerivedextendsBase{publicvoidmethodB(){System.out.println("Derived中的methodB()方法");}publicvoidmethodC(){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
publicclassBase{int a;int b;publicvoidmethodA(){System.out.println("Base中的methodA()");}publicvoidmethodB(){System.out.println("Base中的methodB()");}}publicclassDerivedextendsBase{publicvoidmethodA(int a){System.out.println("Derived中的method(int)方法");}publicvoidmethodB(){System.out.println("Derived中的methodB()方法");}publicvoidmethodC(){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

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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: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publicclassB{privateint a;protectedint b;publicint c;int d;}// extend01包中// 同一个包中的子类publicclassDextendsB{publicvoidmethod(){// 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publicclassCextendsB{publicvoidmethod(){//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publicclassTestC{publicstaticvoidmain(String[] args){C c =newC();
        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:
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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)
finalint 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
finalpublicclassAnimal{...}publicclassBirdextendsAnimal{...}// 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.

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  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classTire{// ...}// 发动机类
classEngine{// ...}// 车载系统类
classVehicleSystem{// ...}classCar{privateTire tire;// 可以复用轮胎中的属性和方法privateEngine engine;// 可以复用发动机中的属性和方法privateVehicleSystem vs;// 可以复用车载系统中的属性和方法// ...}// 奔驰是汽车
classBenz 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。
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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
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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 =newCat("元宝",2);

使用场景

  1. 直接赋值
  2. 方法传参
  3. 方法返回
publicclassTestAnimal{// 2. 方法传参:形参为父类型引用,可以接收任意子类的对象publicstaticvoideatFood(Animal a){
        a.eat();}// 3. 作返回值:返回任意子类对象publicstaticAnimalbuyAnimal(Stringvar){if("狗"==var){returnnewDog("狗狗",1);}elseif("猫"==var){returnnewCat("猫猫",1);}else{returnnull;}}publicstaticvoidmain(String[] args){Animal cat =newCat("元宝",2);// 1. 直接赋值:子类对象赋值给父类对象Dog dog =newDog("小七",1);eatFood(cat);eatFood(dog);Animal animal =buyAnimal("狗");
        animal.eat();
        animal =buyAnimal("猫");
        animal.eat();}}publicclassAnimal{String name;int age;publicvoideat(){System.out.println(name +"正在吃饭");}publicvoidsleep(){System.out.println(name +"正在睡觉");}}// Dog.javapublicclassDogextendsAnimal{voidbark(){System.out.println(name +"汪汪汪~~~");}}// Cat.JavapublicclassCatextendsAnimal{voidmew(){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

publicclassTestAnimal{publicstaticvoidmain(String[] args){Cat cat =newCat("元宝",2);Dog dog =newDog("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。

publicclassTestAnimal{publicstaticvoidmain(String[] args){Cat cat =newCat("元宝",2);Dog dog =newDog("小七",1);// 向上转型Animal animal = cat;
        animal.eat();
        animal = dog;
        animal.eat();if(animal instanceofCat){
            cat =(Cat)animal;
            cat.mew();}if(animal instanceofDog){
            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:

publicclassAnimal{String name;int age;publicAnimal(String name,int age){this.name = name;this.age = age;}publicvoideat(){System.out.println(name +"吃饭");}}publicclassCatextendsAnimal{publicCat(String name,int age){super(name, age);}@Overridepublicvoideat(){System.out.println(name+"吃鱼~~~");}}publicclassDogextendsAnimal{publicDog(String name,int age){super(name, age);}@Overridepublicvoideat(){System.out.println(name+"吃骨头~~~");}}///分割线//publicclassTestAnimal{// 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publicstaticvoideat(Animal a){
        a.eat();}publicstaticvoidmain(String[] args){Cat cat =newCat("元宝",2);Dog dog =newDog("小七",1);eat(cat);eat(dog);}}

执行结果:
在这里插入图片描述
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.
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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

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:

publicclassTest{publicstaticvoiddrawShapes(){Rect rect =newRect();Cycle cycle =newCycle();Flower flower =newFlower();String[] shapes ={"cycle","rect","cycle","rect","flower"};for(String shape : shapes){if(shape.equals("cycle")){
                cycle.draw();}elseif(shape.equals("rect")){
                rect.draw();}elseif(shape.equals("flower")){
                flower.draw();}}}publicstaticvoidmain(String[] args){drawShapes();}}classShape{//属性....publicvoiddraw(){System.out.println("画图形!");}}classRectextendsShape{@Overridepublicvoiddraw(){System.out.println("♦");}}classCycleextendsShape{@Overridepublicvoiddraw(){System.out.println("●");}}classFlowerextendsShape{@Overridepublicvoiddraw(){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

publicstaticvoiddrawShapes(){// 我们创建了一个 Shape 对象的数组.Shape[] shapes ={newCycle(),newRect(),newCycle(),newRect(),newFlower()};for(Shape shape : shapes){
            shape.draw();}}
  1. 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。

classTriangleextendsShape{@Overridepublicvoiddraw(){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 。
标签: java jvm 开发语言

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