【Java SE】如何解读Java的继承和多态的特性？-Toy模板网

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前言

什么是继承和多态，为什么被称为Java三大特性，这两大特性为我们程序员带来了什么影响呢？是让复杂的代码简化了，还是为程序员写代码提供了多样性呢？那让我们一起来揭开这层神秘的面纱吧！

1.继承

1.1为什么需要继承
Java中使用类对现实世界中实体来进行描述，类经过实例化之后的产物对象，则可以用来表示现实中的实体，但是现实世界错综复杂，事物之间可能会存在一些关联，那在设计程序是就需要考虑。
比如：猫和狗都是动物
我们就可以设计这样的代码：

public class Cat {
    //成员变量
    public String name;
    public String color;
    public int age;
    //成员方法
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"正在吃");
    }
    public void barks() {
        System.out.println(this.name+"喵喵叫");
    }
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"正在睡觉");
    }
}

public class Dog {
    //成员变量
    public String name;
    public String color;
    public int age;
    //成员方法
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"正在吃");
    }
    public void barks() {
        System.out.println(this.name+"汪汪叫");
    }
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"正在睡觉");
    }
}

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在这两个代码中，有一些数据相同的代码，这样显得代码比较冗余。
我们就需要将这些代码进行共性抽取，在面向对象中就提出继承来进行共性抽取，代码复用。
1.2 继承概念
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(基类)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。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，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/基类或超类，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。从继承概念中可以看出继承最大的作用就是：实现代码复用，还有就是来实现多态(后序讲)。

1.3 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 {
// ... 
}

对1.2中场景使用继承方式重新设计：

class Dog extends Animal {
    public void wag() {
        System.out.println(this.name+"摇尾巴");
    }
}
class Cat extends Animal {
    public void barks() {
        System.out.println(this.name+"喵喵叫");
    }
}
public class Animal {
    //成员变量
    public String name;
    public String color;
    public int age;
    //成员方法
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"正在吃");
    }
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"正在睡觉");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat();
        cat.eat();//eat() sleep() 都是从父类Animal继承过来的
        cat.sleep();
        cat.barks();//这是cat自己特有的
        Dog dog = new Dog();
        dog.sleep();//eat() sleep() 都是从父类Animal继承过来的
        dog.eat();
        dog.wag();//这是dog特有的
    }
}

注意：

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
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

1.4 父类成员访问
在继承体系中，子类将父类中的方法和字段继承下来了，那在子类中能否直接访问父类中继承下来的成员呢？
1.4.1 子类中访问父类的成员变量
3. 子类和父类不存在同名成员变量

public class Base {
    int a;
    int b;
}
class Derived extends Base {
    int c;
    public void method() {
        a = 100;//是从父类继承过来的
        b = 200;//是从父类继承过来的
        c = 300;//自己本身的
    }
}

子类和父类成员变量同名

public class Base {
    int a;
    int b;
    int c;
}
class Derived extends Base {
    int a;
    char b;
    public void method() {
        a = 100;//这是继承下来的还是自己本身？
        b = 200;//类型不同，但变量相同 这是继承下来的还是自己本身？
        c = 300;//这是继承下来的
    }
}

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在调试下：
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。

1.4.2 子类中访问父类的成员方法

成员方法名字不同

public class Base {
    int a;
    int b;
    public void methodB() {
        System.out.println("父类的方法");
    }
}
class Derived extends Base {
    int c;
    public void methodD() {
        System.out.println("子类的方法");
    }
    public void method() {
        a = 100;//是从父类继承过来的
        b = 200;//是从父类继承过来的
        c = 300;//自己本身的
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived derived = new Derived();
        derived.methodB();//父类的方法
        derived.methodD();//子类的方法
    }
}

成员方法名字相同

public class Base {
    int a;
    int b;
    int c;
    public void method() {
        System.out.println("父类的方法");
    }
}
class Derived extends Base {
    int a;
    char b;
    public void method() {
        a = 100;//这是继承下来的还是自己本身？
        b = 200;//类型不同，但变量相同 这是继承下来的还是自己本身？
        c = 300;//这是继承下来的
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived derived = new Derived();
        derived.method();//这是子类的方法还是父类的方法？
    }
}

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在调试下：
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，否则编译报错。
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；

问题：如果子类中存在与父类中相同的成员时，那如何在子类中访问父类相同名称的成员呢？

1.5 super关键字
由于设计不好，或者因场景需要，子类和父类中可能会存在相同名称的成员，如果要在子类方法中访问父类同名成员时，该如何操作？直接访问是无法做到的，Java提供了super关键字，该关键字主要作用：在子类方法中访问父类的成员。

public class Base {
    int a;
    int b;
    int c;
    public void methodA() {
        System.out.println("子类中的methodA()");
    }
    public void methodB() {
        System.out.println("子类中的methodB()");
    }
}
class Derived extends Base {
    int a;
    char b;
    public void method() {
        super.a = 100;//通过super关键字访问父类中的a,b
        super.b = 200;
        c = 300;//这是继承下来的
        super.methodA();//访问的是父类的方法A
        super.methodB();//访问的是父类的方法B
        this.methodA();//访问的是子类的方法A
        this.methodB();//访问的是子类的方法B
    }
    public void methodA() {
        System.out.println("子类中的methodA()");
    }
    public void methodB() {
        System.out.println("子类中的methodB()");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived derived = new Derived();
    }
}

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在子类方法中，如果想要明确访问父类中成员时，借助super关键字即可。
【注意事项】

只能在非静态方法中使用
在子类方法中，访问父类的成员变量和方法。

1.6 子类构造方法
父子父子，先有父再有子，即：子类对象构造时，需要先调用基类构造方法，对基类的成员变量进行初始化，然后执行子类的构造方法。

public class Animal {
    public String name;
    public int age;
    public Animal(String name) {
        System.out.println("父类有参的构造方法");
    }
}
class Dog extends Animal {
    public String color;

    public Dog(String name) {
        super(name);
        System.out.println("子类的有参构造方法");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog("小黄");
        
    }
}

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在子类构造方法中，并没有写任何关于基类构造的代码，但是在构造子类对象时，先执行基类的构造方法，然后执行子类的构造方法，因为：子类对象中成员是有两部分组成的，基类继承下来的以及子类新增加的部分。父子父子肯定是先有父再有子，所以在构造子类对象时候，先要调用基类的构造方法，将从基类继承下来的成员构造完整，然后再调用子类自己的构造方法，将子类自己新增加的成员初始化完整。

注意：

若父类显式定义无参或者默认的构造方法，在子类构造方法第一行默认有隐含的super()调用，即调用基类构造方法
如果父类构造方法是带有参数的，此时需要用户为子类显式定义构造方法，并在子类构造方法中选择合适的父类构造方法调用，否则编译失败。
在子类构造方法中，super(…)调用父类构造时，必须是子类构造函数中第一条语句。
super(…)只能在子类构造方法中出现一次，并且不能和this同时出现

1.7 super和this
super和this都可以在成员方法中用来访问：成员变量和调用其他的成员函数，都可以作为构造方法的第一条语句，那他们之间有什么区别呢？

【相同点】

都是Java中的关键字
只能在类的非静态方法中使用，用来访问非静态成员方法和字段
在构造方法中调用时，必须是构造方法中的第一条语句，并且不能同时存在

【不同点】

this是当前对象的引用，当前对象即调用实例方法的对象，super相当于是子类对象中从父类继承下来部分成员的引用
在非静态成员方法中，this用来访问本类的方法和属性，super用来访问父类继承下来的方法和属性
在构造方法中：this(…)用于调用本类构造方法，super(…)用于调用父类构造方法，两种调用不能同时在构造
方法中出现
构造方法中一定会存在super(…)的调用，用户没有写编译器也会增加，但是this(…)用户不写则没有

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1.8 再谈初始化
我们还记得之前讲过的代码块吗？我们简单回顾一下几个重要的代码块：实例代码块和静态代码块。在没有继承关系时的执行顺序。

public class Base {
    static {
        System.out.println("Base::static");
    }
    {
        System.out.println("Base实例代码块");
    }
    public Base() {
        System.out.println("Base构造方法");
    }
}
class Derived extends Base {
    static {
        System.out.println("Derived::static");
    }
    {
        System.out.println("Derived实例代码块");
    }
    public Derived() {
        System.out.println("Derived构造方法");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived derived = new Derived();
        System.out.println("==================");
        Derived derived1 = new Derived();
    }
}

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通过分析执行结果，得出以下结论：
1、父类静态代码块优先于子类静态代码块执行，且是最早执行
2、父类实例代码块和父类构造方法紧接着执行
3、子类的实例代码块和子类构造方法紧接着再执行
4、第二次实例化子类对象时，父类和子类的静态代码块都将不会再执行

1.9 继承方式
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.
时刻牢记, 我们写的类是现实事物的抽象. 而我们真正在公司中所遇到的项目往往业务比较复杂, 可能会涉及到一系列复杂的概念, 都需要我们使用代码来表示, 所以我们真实项目中所写的类也会有很多. 类之间的关系也会更加复杂.
但是即使如此, 我们并不希望类之间的继承层次太复杂. 一般我们不希望出现超过三层的继承关系. 如果继承层次太多, 就需要考虑对代码进行重构了.
如果想从语法上进行限制继承, 就可以使用 final 关键字

1.10 final 关键字
final关键可以用来修饰变量、成员方法以及类。

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

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

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我们平时是用的 String 字符串类, 就是用 final 修饰的, 不能被继承.

修饰方法：表示该方法不能被重写(后序介绍)

1.11 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

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。

组合与继承的区别和联系

在继承结构中，父类的内部细节对于子类是可见的。所以我们通常也可以说通过继承的代码复用是一种白盒式代码复用。（如果基类的实现发生改变，那么派生类的实现也将随之改变。这样就导致了子类行为的不可预知性；）

组合是通过对现有的对象进行拼装（组合）产生新的、更复杂的功能。因为在对象之间，各自的内部细节是不可见的，所以我们也说这种方式的代码复用是黑盒式代码复用。（因为组合中一般都定义一个类型，所以在编译期根本不知道具体会调用哪个实现类的方法）

继承，在写代码的时候就要指名具体继承哪个类，所以，在编译期就确定了关系。（从基类继承来的实现是无法在运行期动态改变的，因此降低了应用的灵活性。）

组合，在写代码的时候可以采用面向接口编程。所以，类的组合关系一般在运行期确定。

2 多态

2.1 多态的概念
多态的概念：通俗来说，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。

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总的来说：同一件事情，发生在不同对象身上，就会产生不同的结果。

2.2 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：

必须在继承体系下
子类必须要对父类中方法进行重写
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。

public class Animal {
    public String name;
    public Animal(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"吃东西");
    }
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"在睡觉");
    }
}
class Dog extends Animal {

    public Dog(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"在吃狗粮");
    }

    @Override
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"在狗窝睡觉");
    }
}
class Cat extends Animal {

    public Cat(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println(this.name+"在吃猫粮");
    }

    @Override
    public void sleep() {
        System.out.println(this.name+"在猫窝睡觉");
    }
}

public class Test {
    public static void test(Animal animal) {
        animal.sleep();
        animal.eat();
    }
    public static void main(String[] args) {
        test(new Dog("小黄"));
        test(new Cat("喵喵"));
    }
}

运行结果：
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我们先不管这个这个结果怎么来的，我们先来看看实现多态的三个必要条件。

1.必须是在继承下：
上述代码很清晰的显示是在继承下实现的。
2.子类必须对父类的方法重写
那我们来了解什么是重写：
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】
1.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
2.被final修饰的方法不可以被重写，这个叫密封方法
3.被static和private修饰的方法也不可以被重写
4.子类重写父类的方法时限定访问符必须大于等于父类的限定访问符
5.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
6.构造方法不可以被重写
特殊情况：
以父类为返回值和以子类为返回值构成重写，被称为协变类型。

public class Animal {
    public Animal test() {
        System.out.println("以父类为返回类型");
        return null;
    }
}
class Dog extends Animal {
    @Override
    public Dog test() {
        System.out.println("以子类为返回类型");
        return null;
    }
}

public class Test {
    public static void fun(Animal animal) {
        animal.test();
    }
    public static void main(String[] args) {
        fun(new Dog());
    }
}

运行结果：
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3. 通过父类的引用调用重写的方法
想要通过父类的引用来调写重写的方法：
必须要向上转型：
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 animal = new Cat("元宝",2);

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。
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向上转型有三种方式：
1.直接赋值的方式：

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Animal animal = new Dog("旺财");
        animal.eat();
        animal.sleep();
        Animal animal1 = new Cat("小花");
    }
}

2.以传参的方式：

public class Test {
    public static void test(Animal animal) {
        animal.sleep();
        animal.eat();
    }
    public static void main(String[] args) {
        test(new Dog("小黄"));
        test(new Cat("喵喵"));
    }

3.以返回类型

public class Test2 {
    public static Animal func() {
        return new Dog("小黑");
    }
    public static void main(String[] args) {
        func().eat();
        func().sleep();
    }
}

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

通过了解实现多态的三个必要条件，我们对上面的代码是怎么实现的已经知道了一个大概了解，但是还有一点，我对子类重写父类的方法，再调用的时候为什么是实现子类的方法而不是实现父类的方法？这个问题就让我们一起来探讨吧！

要解决这个问题我们就需要了解什么叫动态绑定和什么叫静态绑定。
**动态绑定：**在编译的时候，编译器还没确定调用父类的方法还是子类的方法，在这个期间是先调用父类的方法。然后到运行的时候，编译器绑定到了子类的方法，这个就叫作动态绑定。
**静态绑定：**在编译的时候，编译器就已经确定调用父类的方法还是子类的方法。

在明白这个之后，我们对上述的代码如何去实现的就一目了然了。

2.3避免在构造方法中调用重写的方法

public class A {
    public A() {
        fun1();
    }
    public void fun1() {
        System.out.println("父类中的重写方法");
    }
}
class B extends A {
    public int num =1;
    public B() {
        System.out.println("子类的构造方法");
    }

    @Override
    public void fun1() {
        System.out.println("子类的重写方法");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new B();
        a.fun1();
    }
}

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构造 D 对象的同时, 会调用 B 的构造方法.
B 的构造方法中调用了 func 方法, 此时会触发动态绑定, 会调用到 D 中的 func
此时 D 对象自身还没有构造, 此时 num 处在未初始化的状态, 值为 0.

结论: “用尽量简单的方式使对象进入可工作状态”, 尽量不要在构造器中调用方法(如果这个方法被子类重写, 就会触发动态绑定, 但是此时子类对象还没构造完成), 可能会出现一些隐藏的但是又极难发现的问题

结尾：
上一章：【Java SE】详解java访问限定符
下一章：【Java SE】带你走近Java的抽象类与接口
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