蓝桥杯JAVA--启蒙之路（七）继承多态

一前言

今天不知道哪来的斗志，感觉状态在回归，所有多写一点，这次的内容我感觉是很重要的。

大家一起努力吧。

二主要内容

继承

在前面的章节中，我们已经定义了Person类：

class Person {
private String name;
private int age;

public String getName() {…}
public void setName(String name) {…}
public int getAge() {…}
public void setAge(int age) {…}
}

现在，假设需要定义一个Student类，字段如下：

class Student {
private String name;
private int age;
private int score;

public String getName() {…}
public void setName(String name) {…}
public int getAge() {…}
public void setAge(int age) {…}
public int getScore() { … }
public void setScore(int score) { … }
}

仔细观察，发现Student类包含了Person类已有的字段和方法，只是多出了一个score字段和相应的getScore()、setScore()方法。

能不能在Student中不要写重复的代码？

这个时候，继承就派上用场了。

继承是面向对象编程中非常强大的一种机制，它首先可以复用代码。当我们让Student从Person继承时，Student就获得了Person的所有功能，我们只需要为Student编写新增的功能。

Java使用extends关键字来实现继承：

class Person {
private String name;
private int age;

public String getName() {…}
public void setName(String name) {…}
public int getAge() {…}
public void setAge(int age) {…}
}

class Student extends Person {
// 不要重复name和age字段/方法,
// 只需要定义新增score字段/方法:
private int score;

public int getScore() { … }
public void setScore(int score) { … }
}

可见，通过继承，Student只需要编写额外的功能，不再需要重复代码。

 注意

子类自动获得了父类的所有字段，严禁定义与父类重名的字段！

在OOP的术语中，我们把Person称为超类（super class），父类（parent class），基类（base class），把Student称为子类（subclass），扩展类（extended class）。

继承树

注意到我们在定义Person的时候，没有写extends。在Java中，没有明确写extends的类，编译器会自动加上extends Object。所以，任何类，除了Object，都会继承自某个类。下图是Person、Student的继承树：

┌───────────┐
│ Object │
└───────────┘
▲
│
┌───────────┐
│ Person │
└───────────┘
▲
│
┌───────────┐
│ Student │
└───────────┘

Java只允许一个class继承自一个类，因此，一个类有且仅有一个父类。只有Object特殊，它没有父类。

类似的，如果我们定义一个继承自Person的Teacher，它们的继承树关系如下：

┌───────────┐
│ Object │
└───────────┘
▲
│
┌───────────┐
│ Person │
└───────────┘
▲ ▲
│ │
│ │
┌───────────┐ ┌───────────┐
│ Student │ │ Teacher │
└───────────┘ └───────────┘

protected

继承有个特点，就是子类无法访问父类的private字段或者private方法。例如，Student类就无法访问Person类的name和age字段：

class Person {
private String name;
private int age;
}

class Student extends Person {
public String hello() {
return "Hello, " + name; // 编译错误：无法访问name字段
}
}

这使得继承的作用被削弱了。为了让子类可以访问父类的字段，我们需要把private改为protected。用protected修饰的字段可以被子类访问：

class Person {
protected String name;
protected int age;
}

class Student extends Person {
public String hello() {
return "Hello, " + name; // OK!
}
}

因此，protected关键字可以把字段和方法的访问权限控制在继承树内部，一个protected字段和方法可以被其子类，以及子类的子类所访问，后面我们还会详细讲解。

super

super关键字表示父类（超类）。子类引用父类的字段时，可以用super.fieldName。例如：

class Student extends Person {
public String hello() {
return "Hello, " + super.name;
}
}

实际上，这里使用super.name，或者this.name，或者name，效果都是一样的。编译器会自动定位到父类的name字段。

但是，在某些时候，就必须使用super。我们来看一个例子：

// super
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Student s = new Student("Xiao Ming", 12, 89);
}
}

class Person {
protected String name;
protected int age;

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

class Student extends Person {
protected int score;

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

运行上面的代码，会得到一个编译错误，大意是在Student的构造方法中，无法调用Person的构造方法。

这是因为在Java中，任何class的构造方法，第一行语句必须是调用父类的构造方法。如果没有明确地调用父类的构造方法，编译器会帮我们自动加一句super();，所以，Student类的构造方法实际上是这样：

class Student extends Person {
protected int score;

public Student(String name, int age, int score) {
super(); // 自动调用父类的构造方法
this.score = score;
}
}

但是，Person类并没有无参数的构造方法，因此，编译失败。

解决方法是调用Person类存在的某个构造方法。例如：

class Student extends Person {
protected int score;

public Student(String name, int age, int score) {
super(name, age); // 调用父类的构造方法Person(String, int)
this.score = score;
}
}

这样就可以正常编译了！

因此我们得出结论：如果父类没有默认的构造方法，子类就必须显式调用super()并给出参数以便让编译器定位到父类的一个合适的构造方法。

这里还顺带引出了另一个问题：即子类不会继承任何父类的构造方法。子类默认的构造方法是编译器自动生成的，不是继承的。

阻止继承

正常情况下，只要某个class没有final修饰符，那么任何类都可以从该class继承。

从Java 15开始，允许使用sealed修饰class，并通过permits明确写出能够从该class继承的子类名称。

例如，定义一个Shape类：

public sealed class Shape permits Rect, Circle, Triangle {
…
}

上述Shape类就是一个sealed类，它只允许指定的3个类继承它。如果写：

public final class Rect extends Shape {…}

是没问题的，因为Rect出现在Shape的permits列表中。但是，如果定义一个Ellipse就会报错：

public final class Ellipse extends Shape {…}
// Compile error: class is not allowed to extend sealed class: Shape

原因是Ellipse并未出现在Shape的permits列表中。这种sealed类主要用于一些框架，防止继承被滥用。

sealed类在Java 15中目前是预览状态，要启用它，必须使用参数–enable-preview和–source 15。

向上转型

如果一个引用变量的类型是Student，那么它可以指向一个Student类型的实例：

Student s = new Student();

如果一个引用类型的变量是Person，那么它可以指向一个Person类型的实例：

Person p = new Person();

现在问题来了：如果Student是从Person继承下来的，那么，一个引用类型为Person的变量，能否指向Student类型的实例？

Person p = new Student(); // ???

测试一下就可以发现，这种指向是允许的！

这是因为Student继承自Person，因此，它拥有Person的全部功能。Person类型的变量，如果指向Student类型的实例，对它进行操作，是没有问题的！

这种把一个子类类型安全地变为父类类型的赋值，被称为向上转型（upcasting）。

向上转型实际上是把一个子类型安全地变为更加抽象的父类型：

Student s = new Student();
Person p = s; // upcasting, ok
Object o1 = p; // upcasting, ok
Object o2 = s; // upcasting, ok

注意到继承树是Student > Person > Object，所以，可以把Student类型转型为Person，或者更高层次的Object。

向下转型

和向上转型相反，如果把一个父类类型强制转型为子类类型，就是向下转型（downcasting）。例如：

Person p1 = new Student(); // upcasting, ok
Person p2 = new Person();
Student s1 = (Student) p1; // ok
Student s2 = (Student) p2; // runtime error! ClassCastException!

如果测试上面的代码，可以发现：

Person类型p1实际指向Student实例，Person类型变量p2实际指向Person实例。在向下转型的时候，把p1转型为Student会成功，因为p1确实指向Student实例，把p2转型为Student会失败，因为p2的实际类型是Person，不能把父类变为子类，因为子类功能比父类多，多的功能无法凭空变出来。

因此，向下转型很可能会失败。失败的时候，Java虚拟机会报ClassCastException。

为了避免向下转型出错，Java提供了instanceof操作符，可以先判断一个实例究竟是不是某种类型：

Person p = new Person();
System.out.println(p instanceof Person); // true
System.out.println(p instanceof Student); // false

Student s = new Student();
System.out.println(s instanceof Person); // true
System.out.println(s instanceof Student); // true

Student n = null;
System.out.println(n instanceof Student); // false

instanceof实际上判断一个变量所指向的实例是否是指定类型，或者这个类型的子类。如果一个引用变量为null，那么对任何instanceof的判断都为false。

利用instanceof，在向下转型前可以先判断：

Person p = new Student();
if (p instanceof Student) {
// 只有判断成功才会向下转型:
Student s = (Student) p; // 一定会成功
}

从Java 14开始，判断instanceof后，可以直接转型为指定变量，避免再次强制转型。例如，对于以下代码：

Object obj = "hello";
if (obj instanceof String) {
String s = (String) obj;
System.out.println(s.toUpperCase());
}

可以改写如下：

// instanceof variable:
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Object obj = "hello";
if (obj instanceof String s) {
// 可以直接使用变量s:
System.out.println(s.toUpperCase());
}
}
}

这种使用instanceof的写法更加简洁。

区分继承和组合

在使用继承时，我们要注意逻辑一致性。

考察下面的Book类：

class Book {
protected String name;
public String getName() {…}
public void setName(String name) {…}
}

这个Book类也有name字段，那么，我们能不能让Student继承自Book呢？

class Student extends Book {
protected int score;
}

显然，从逻辑上讲，这是不合理的，Student不应该从Book继承，而应该从Person继承。

究其原因，是因为Student是Person的一种，它们是is关系，而Student并不是Book。实际上Student和Book的关系是has关系。

具有has关系不应该使用继承，而是使用组合，即Student可以持有一个Book实例：

class Student extends Person {
protected Book book;
protected int score;
}

因此，继承是is关系，组合是has关系。

小结

继承是面向对象编程的一种强大的代码复用方式；

Java只允许单继承，所有类最终的根类是Object；

protected允许子类访问父类的字段和方法；

子类的构造方法可以通过super()调用父类的构造方法；

可以安全地向上转型为更抽象的类型；

可以强制向下转型，最好借助instanceof判断；

子类和父类的关系是is，has关系不能用继承。

多态

在继承关系中，子类如果定义了一个与父类方法签名完全相同的方法，被称为覆写（Override）。

例如，在Person类中，我们定义了run()方法：

class Person {
public void run() {
System.out.println("Person.run");
}
}

在子类Student中，覆写这个run()方法：

class Student extends Person {
@Override
public void run() {
System.out.println("Student.run");
}
}

Override和Overload不同的是，如果方法签名不同，就是Overload，Overload方法是一个新方法；如果方法签名相同，并且返回值也相同，就是Override。

 注意

方法名相同，方法参数相同，但方法返回值不同，也是不同的方法。在Java程序中，出现这种情况，编译器会报错。

class Person {
public void run() { … }
}

class Student extends Person {
// 不是Override，因为参数不同:
public void run(String s) { … }
// 不是Override，因为返回值不同:
public int run() { … }
}

加上@Override可以让编译器帮助检查是否进行了正确的覆写。希望进行覆写，但是不小心写错了方法签名，编译器会报错。

// override
public class Main {
public static void main(String[] args) {
}
}

class Person {
public void run() {}
}

public class Student extends Person {
@Override // Compile error!
public void run(String s) {}
}

但是@Override不是必需的。

在上一节中，我们已经知道，引用变量的声明类型可能与其实际类型不符，例如：

Person p = new Student();

现在，我们考虑一种情况，如果子类覆写了父类的方法：

// override
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Person p = new Student();
p.run(); // 应该打印Person.run还是Student.run?
}
}

class Person {
public void run() {
System.out.println("Person.run");
}
}

class Student extends Person {
@Override
public void run() {
System.out.println("Student.run");
}
}

那么，一个实际类型为Student，引用类型为Person的变量，调用其run()方法，调用的是Person还是Student的run()方法？

运行一下上面的代码就可以知道，实际上调用的方法是Student的run()方法。因此可得出结论：

Java的实例方法调用是基于运行时的实际类型的动态调用，而非变量的声明类型。

这个非常重要的特性在面向对象编程中称之为多态。它的英文拼写非常复杂：Polymorphic。

多态

多态是指，针对某个类型的方法调用，其真正执行的方法取决于运行时期实际类型的方法。例如：

Person p = new Student();
p.run(); // 无法确定运行时究竟调用哪个run()方法

有同学会说，从上面的代码一看就明白，肯定调用的是Student的run()方法啊。

但是，假设我们编写这样一个方法：

public void runTwice(Person p) {
p.run();
p.run();
}

它传入的参数类型是Person，我们是无法知道传入的参数实际类型究竟是Person，还是Student，还是Person的其他子类例如Teacher，因此，也无法确定调用的是不是Person类定义的run()方法。

所以，多态的特性就是，运行期才能动态决定调用的子类方法。对某个类型调用某个方法，执行的实际方法可能是某个子类的覆写方法。这种不确定性的方法调用，究竟有什么作用？

我们还是来举例子。

假设我们定义一种收入，需要给它报税，那么先定义一个Income类：

class Income {
protected double income;
public double getTax() {
return income * 0.1; // 税率10%
}
}

对于工资收入，可以减去一个基数，那么我们可以从Income派生出SalaryIncome，并覆写getTax()：

class Salary extends Income {
@Override
public double getTax() {
if (income <= 5000) {
return 0;
}
return (income – 5000) * 0.2;
}
}

如果你享受国务院特殊津贴，那么按照规定，可以全部免税：

class StateCouncilSpecialAllowance extends Income {
@Override
public double getTax() {
return 0;
}
}

现在，我们要编写一个报税的财务软件，对于一个人的所有收入进行报税，可以这么写：

public double totalTax(Income… incomes) {
double total = 0;
for (Income income: incomes) {
total = total + income.getTax();
}
return total;
}

来试一下：

// Polymorphic
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 给一个有普通收入、工资收入和享受国务院特殊津贴的小伙伴算税:
Income[] incomes = new Income[] {
new Income(3000),
new Salary(7500),
new StateCouncilSpecialAllowance(15000)
};
System.out.println(totalTax(incomes));
}

public static double totalTax(Income… incomes) {
double total = 0;
for (Income income: incomes) {
total = total + income.getTax();
}
return total;
}
}

class Income {
protected double income;

public Income(double income) {
this.income = income;
}

public double getTax() {
return income * 0.1; // 税率10%
}
}

class Salary extends Income {
public Salary(double income) {
super(income);
}

@Override
public double getTax() {
if (income <= 5000) {
return 0;
}
return (income – 5000) * 0.2;
}
}

class StateCouncilSpecialAllowance extends Income {
public StateCouncilSpecialAllowance(double income) {
super(income);
}

@Override
public double getTax() {
return 0;
}
}

观察totalTax()方法：利用多态，totalTax()方法只需要和Income打交道，它完全不需要知道Salary和StateCouncilSpecialAllowance的存在，就可以正确计算出总的税。如果我们要新增一种稿费收入，只需要从Income派生，然后正确覆写getTax()方法就可以。把新的类型传入totalTax()，不需要修改任何代码。

可见，多态具有一个非常强大的功能，就是允许添加更多类型的子类实现功能扩展，却不需要修改基于父类的代码。

覆写Object方法

因为所有的class最终都继承自Object，而Object定义了几个重要的方法：

• toString()：把instance输出为String；
• equals()：判断两个instance是否逻辑相等；
• hashCode()：计算一个instance的哈希值。

在必要的情况下，我们可以覆写Object的这几个方法。例如：

class Person {
…
// 显示更有意义的字符串:
@Override
public String toString() {
return "Person:name=" + name;
}

// 比较是否相等:
@Override
public boolean equals(Object o) {
// 当且仅当o为Person类型:
if (o instanceof Person) {
Person p = (Person) o;
// 并且name字段相同时，返回true:
return this.name.equals(p.name);
}
return false;
}

// 计算hash:
@Override
public int hashCode() {
return this.name.hashCode();
}
}

调用super

在子类的覆写方法中，如果要调用父类的被覆写的方法，可以通过super来调用。例如：

class Person {
protected String name;
public String hello() {
return "Hello, " + name;
}
}

class Student extends Person {
@Override
public String hello() {
// 调用父类的hello()方法:
return super.hello() + "!";
}
}

final

继承可以允许子类覆写父类的方法。如果一个父类不允许子类对它的某个方法进行覆写，可以把该方法标记为final。用final修饰的方法不能被Override：

class Person {
protected String name;
public final String hello() {
return "Hello, " + name;
}
}

class Student extends Person {
// compile error: 不允许覆写
@Override
public String hello() {
}
}

如果一个类不希望任何其他类继承自它，那么可以把这个类本身标记为final。用final修饰的类不能被继承：

final class Person {
protected String name;
}

// compile error: 不允许继承自Person
class Student extends Person {
}

对于一个类的实例字段，同样可以用final修饰。用final修饰的字段在初始化后不能被修改。例如：

class Person {
public final String name = "Unamed";
}

对final字段重新赋值会报错：

Person p = new Person();
p.name = "New Name"; // compile error!

可以在构造方法中初始化final字段：

class Person {
public final String name;
public Person(String name) {
this.name = name;
}
}

这种方法更为常用，因为可以保证实例一旦创建，其final字段就不可修改。

小结

子类可以覆写父类的方法（Override），覆写在子类中改变了父类方法的行为；

Java的方法调用总是作用于运行期对象的实际类型，这种行为称为多态；

final修饰符有多种作用：

• final修饰的方法可以阻止被覆写；
• final修饰的class可以阻止被继承；
• final修饰的field必须在创建对象时初始化，随后不可修改。

三最后一语

这两部分的内容还是很难理解的，但是好在写的足够详细，所以大家可以反复多看几次，自己运行一下。

面向大海，春暖花开。

感谢观看，共勉！！