Java 三大特性之 多态

面向对象编程有三大特性:封装、继承、多态。

什么是多态

多态就是指程序中定义的引用变量所指向的具体类型和通过该引用变量发出的方法调用在编程时并不确定,而是在程序运行期间才确定,即一个引用变量倒底会指向哪个类的实例对象,该引用变量发出的方法调用到底是哪个类中实现的方法,必须在由程序运行期间才能决定。因为在程序运行时才确定具体的类,这样,不用修改源程序代码,就可以让引用变量绑定到各种不同的类实现上,从而导致该引用调用的具体方法随之改变,即不修改程序代码就可以改变程序运行时所绑定的具体代码,让程序可以选择多个运行状态,这就是多态性。

举例

比如你是一个酒神,对酒情有独钟。某日回家发现桌上有几个杯子里面都装了白酒,从外面看我们是不可能知道这是些什么酒,只有喝了之后才能够猜出来是何种酒。你一喝,这是剑南春、再喝这是五粮液、再喝这是酒鬼酒….在这里我们可以描述成如下:

酒 a = 剑南春
酒 b = 五粮液
酒 c = 酒鬼酒

这里所表现的的就是多态。剑南春、五粮液、酒鬼酒都是酒的子类,我们只是通过酒这一个父类就能够引用不同的子类,这就是多态——我们只有在运行的时候才会知道引用变量所指向的具体实例对象。

诚然,要理解多态我们就必须要明白什么是“向上转型”。在继承中我们简单介绍了向上转型,这里就在啰嗦下:在上面的喝酒例子中,酒(Win)是父类,剑南春(JNC)、五粮液(WLY)、酒鬼酒(JGJ)是子类。我们定义如下代码:

JNC a = new JNC();

对于这个代码我们非常容易理解无非就是实例化了一个剑南春的对象嘛!但是这样呢?

Wine a = new JNC();

在这里我们这样理解,这里定义了一个Wine 类型的a,它指向JNC对象实例。由于JNC是继承与Wine,所以JNC可以自动向上转型为Wine,所以a是可以指向JNC实例对象的。这样做存在一个非常大的好处,在继承中我们知道子类是父类的扩展,它可以提供比父类更加强大的功能,如果我们定义了一个指向子类的父类引用类型,那么它除了能够引用父类的共性外,还可以使用子类强大的功能。

但是向上转型存在一些缺憾,那就是它必定会导致一些方法和属性的丢失,而导致我们不能够获取它们。所以父类类型的引用可以调用父类中定义的所有属性和方法,对于只存在与子类中的方法和属性它就望尘莫及了。

示例一

Wine.java

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/**
* @author Ray
* @date 2018/8/6 0006
* 酒实体类
*/
public class Wine {

public void fun1(){
System.out.println("Wine 的Fun.....");
fun2();
}

public void fun2(){
System.out.println("Wine 的Fun2...");
}
}

JNC.java

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/**
* @author Ray
* @date 2018/8/6 0006
* 剑南春实体类
*/
public class JNC extends Wine {

/**
* 子类重载父类不存在的方法
*/
public void fun1(String a){
System.out.println("JNC 的 Fun1...");
fun2();
}

/**
* 子类重写父类方法
*/
@Override
public void fun2(){
System.out.println("JNC 的Fun2...");
}
}

Main.java

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public class Main {

public static void main(String[] args) {
Wine a = new JNC();
a.fun1();
}
}

输出结果

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Wine 的Fun.....
JNC 的Fun2...

分析

在这个程序中子类JNC重载了父类Wine的方法fun1(),重写fun2(),而且重载后的fun1(String a)与 fun1()不是同一个方法,由于父类中没有该方法,向上转型后会丢失该方法,所以执行JNC的Wine类型引用是不能引用fun1(String a)方法。而子类JNC重写了fun2() ,那么指向JNC的Wine引用会调用JNC中fun2()方法。

总结

指向子类的父类引用由于向上转型了,它只能访问父类中拥有的方法和属性,而对于子类中存在而父类中不存在的方法,该引用是不能使用的,尽管是重载该方法。若子类重写了父类中的某些方法,在调用该些方法的时候,必定是使用子类中定义的这些方法(动态连接、动态调用)。

对于面向对象而已,多态分为编译时多态和运行时多态。其中编辑时多态是静态的,主要是指方法的重载,它是根据参数列表的不同来区分不同的函数,通过编辑之后会变成两个不同的函数,在运行时谈不上多态。而运行时多态是动态的,它是通过动态绑定来实现的,也就是我们所说的多态性。

多态的实现

实现条件

Java实现多态有三个必要条件:继承、重写、向上转型

继承:在多态中必须存在有继承关系的子类和父类。
重写:子类对父类中某些方法进行重新定义,在调用这些方法时就会调用子类的方法。
向上转型:在多态中需要将子类的引用赋给父类对象,只有这样该引用才能够具备技能调用父类的方法和子类的方法。

只有满足了上述三个条件,我们才能够在同一个继承结构中使用统一的逻辑实现代码处理不同的对象,从而达到执行不同的行为。

对于Java而言,它多态的实现机制遵循一个原则:当超类对象引用变量引用子类对象时,被引用对象的类型而不是引用变量的类型决定了调用谁的成员方法,但是这个被调用的方法必须是在超类中定义过的,也就是说被子类覆盖的方法。

基于继承实现的多态

基于继承的实现机制主要表现在父类和继承该父类的一个或多个子类对某些方法的重写,多个子类对同一方法的重写可以表现出不同的行为。

示例一

Wine.java
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/**
* @author Ray
* @date 2018/8/6 0006
* 酒实体类
*/
public class Wine {

private String name;

public String getName() {
return name;
}

public void setName(String name) {
this.name = name;
}

public Wine() {
}

public String drink(){
return "喝" + getName();
}

}
JNC.java
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/**
* @author Ray
* @date 2018/8/6 0006
* 剑南春实体类
*/
public class JNC extends Wine {

public JNC() {
setName("JNC");
}

/**
* 重写父类方法,实现多态
*/
@Override
public String drink() {
return "喝" + getName();
}

@Override
public String toString() {
return "Wine : " + getName();
}
}
JGJ.java
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/**
* @author Ray
* @date 2018/8/6 0006
* 酒鬼酒实体类
*/
public class JGJ extends Wine {

public JGJ() {
setName("JGJ");
}

/**
* 重写父类方法,实现多态
*/
@Override
public String drink() {
return "喝" + getName();
}

@Override
public String toString() {
return "Wine : " + getName();
}
}
Main.java
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public class Main {

public static void main(String[] args) {
// 定义父类数组
Wine[] wines = new Wine[2];

// 定义两个子类
JNC jnc = new JNC();
JGJ jgj = new JGJ();

// 父类引用子类对象
wines[0] = jnc;
wines[1] = jgj;

// 遍历输出
for (int i = 0; i < wines.length; i++){
System.out.println(wines[i].toString() + "--" + wines[i].drink());
}
}
}
输出结果
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Wine : JNC--喝JNC
Wine : JGJ--喝JGJ

在上面的代码中JNC、JGJ继承Wine,并且重写了drink()、toString()方法,程序运行结果是调用子类中方法,输出JNC、JGJ的名称,这就是多态的表现。不同的对象可以执行相同的行为,但是他们都需要通过自己的实现方式来执行,这就要得益于向上转型了。

Object

我们都知道所有的类都继承自超类Object,toString()方法也是Object中方法,当我们这样写时:

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Object o = new JGJ();
System.out.println(o.toString());

输出的结果是Wine : JGJ

Object、Wine、JGJ三者继承链关系是:JGJ—>Wine—>Object。所以我们可以这样说:当子类重写父类的方法被调用时,只有对象继承链中的最末端的方法才会被调用。

总结

对于引用子类的父类类型,在处理该引用时,它适用于继承该父类的所有子类,子类对象的不同,对方法的实现也就不同,执行相同动作产生的行为也就不同。

基于接口实现的多态

继承是通过重写父类的同一方法的几个不同子类来体现的,那么就可就是通过实现接口并覆盖接口中同一方法的几不同的类体现的。
在接口的多态中,指向接口的引用必须是指定这实现了该接口的一个类的实例程序,在运行时,根据对象引用的实际类型来执行对应的方法。
继承都是单继承,只能为一组相关的类提供一致的服务接口。但是接口可以是多继承多实现,它能够利用一组相关或者不相关的接口进行组合与扩充,能够对外提供一致的服务接口。所以它相对于继承来说有更好的灵活性。

经典示例

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public class A {
public String show(D obj) {
return ("A and D");
}

public String show(A obj) {
return ("A and A");
}

}

public class B extends A{
public String show(B obj){
return ("B and B");
}

public String show(A obj){
return ("B and A");
}
}

public class C extends B{

}

public class D extends B{

}

public class Test {
public static void main(String[] args) {
A a1 = new A();
A a2 = new B();
B b = new B();
C c = new C();
D d = new D();

System.out.println("1--" + a1.show(b));
System.out.println("2--" + a1.show(c));
System.out.println("3--" + a1.show(d));
System.out.println("4--" + a2.show(b));
System.out.println("5--" + a2.show(c));
System.out.println("6--" + a2.show(d));
System.out.println("7--" + b.show(b));
System.out.println("8--" + b.show(c));
System.out.println("9--" + b.show(d));
}
}

运行结果

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1--A and A
2--A and A
3--A and D
4--B and A
5--B and A
6--A and D
7--B and B
8--B and B
9--A and D

分析一

1、2、3比较好理解,一般不会出错。4、5就有点糊涂了,为什么输出的不是”B and B”呢?!!先来回顾一下多态性。

回顾多态性

运行时多态性是面向对象程序设计代码重用的一个最强大机制,动态性的概念也可以被说成“一个接口,多个方法”。Java实现运行时多态性的基础是动态方法调度,它是一种在运行时而不是在编译期调用重载方法的机制。

方法的重写Overriding和重载Overloading是Java多态性的不同表现。重写Overriding是父类与子类之间多态性的一种表现,重载Overloading是一个类中多态性的一种表现。如果在子类中定义某方法与其父类有相同的名称和参数,我们说该方法被重写(Overriding)。子类的对象使用这个方法时,将调用子类中的定义,对它而言,父类中的定义如同被“屏蔽”了。如果在一个类中定义了多个同名的方法,它们或有不同的参数个数或有不同的参数类型,则称为方法的重载(Overloading)。Overloaded的方法是可以改变返回值的类型。

当超类对象引用变量引用子类对象时,被引用对象的类型而不是引用变量的类型决定了调用谁的成员方法,但是这个被调用的方法必须是在超类中定义过的,也就是说被子类覆盖的方法。 (但是如果强制把超类转换成子类的话,就可以调用子类中新添加而超类没有的方法了。)

分析二

好了,先温习到这里,言归正传!实际上这里涉及方法调用的优先问题 ,优先级由高到低依次为:this.show(O)、super.show(O)、this.show((super)O)、super.show((super)O)。让我们来看看它是怎么工作的。

首先我们分析5,a2.show(c),a2是A类型的引用变量,所以this就代表了A,a2.show(c),它在A类中找发现没有找到,于是到A的超类中找(super),由于A没有超类(Object除外),所以跳到第三级,也就是this.show((super)O),C的超类有B、A,所以(super)O为B、A,this同样是A,这里在A中找到了show(A obj),同时由于a2是B类的一个引用且B类重写了show(A obj),因此最终会调用子类B类的show(A obj)方法,结果也就是B and A。

按照同样的方法我也可以确认其他的答案。

方法已经找到了但是我们这里还是存在一点疑问,我们还是来看这句话:当超类对象引用变量引用子类对象时,被引用对象的类型而不是引用变量的类型决定了调用谁的成员方法,但是这个被调用的方法必须是在超类中定义过的,也就是说被子类覆盖的方法。这我们用一个例子来说明这句话所代表的含义:a2.show(b);

这里a2是引用变量,为A类型,它引用的是B对象,因此按照上面那句话的意思是说有B来决定调用谁的方法,所以a2.show(b)应该要调用B中的show(B obj),产生的结果应该是“B and B”,但是为什么会与前面的运行结果产生差异呢?这里我们忽略了后面那句话“但是这儿被调用的方法必须是在超类中定义过的”,那么show(B obj)在A类中存在吗?根本就不存在!所以这句话在这里不适用?那么难道是这句话错误了?非也!其实这句话还隐含这这句话:它仍然要按照继承链中调用方法的优先级来确认。所以它才会在A类中找到show(A obj),同时由于B重写了该方法所以才会调用B类中的方法,否则就会调用A类中的方法。

所以多态机制遵循的原则概括为:当超类对象引用变量引用子类对象时,被引用对象的类型而不是引用变量的类型决定了调用谁的成员方法,但是这个被调用的方法必须是在超类中定义过的,也就是说被子类覆盖的方法,但是它仍然要根据继承链中方法调用的优先级来确认方法,该优先级为:this.show(O)、super.show(O)、this.show((super)O)、super.show((super)O)。

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