Java编程的逻辑 (15) - 初识继承和多态
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继承
上节我们谈到，将现实中的概念映射为程序中的概念，我们谈了类以及类之间的组合，现实中的概念间还有一种非常重要的关系，就是分类，分类有个根，然后向下不断细化，形成一个层次分类体系。这种例子是非常多的：
在自然世界中，生物有动物和植物，动物有不同的科目，食肉动物、食草动物、杂食动物等，食肉动物有狼、狗、虎等，这些又分为不同的品种 ...
打开电商网站，在显著位置一般都有分类列表，比如家用电器、服装，服装有女装、男装，男装有衬衫、牛仔裤等 ...
计算机程序经常使用类之间的继承关系来表示对象之间的分类关系。在继承关系中，有父类和子类，比如动物类Animal和狗类Dog，Animal是父类，Dog是子类。父类也叫基类，子类也叫派生类，父类子类是相对的，一个类B可能是类A的子类，是类C的父类。
之所以叫继承是因为，子类继承了父类的属性和行为，父类有的属性和行为，子类都有。但子类可以增加子类特有的属性和行为，某些父类有的行为，子类的实现方式可能与父类也不完全一样。
使用继承一方面可以复用代码，公共的属性和行为可以放到父类中，而子类只需要关注子类特有的就可以了，另一方面，不同子类的对象可以更为方便的被统一处理。
本节主要通过图形处理中的一些简单例子来介绍Java中的继承，会介绍继承的基本概念，关于继承更深入的讨论和实现原理，我们在后续章节介绍。
Object
在Java中，所有类都有一个父类，即使没有声明父类，也有一个隐含的父类，这个父类叫Object。Object没有定义属性，但定义了一些方法，如下图所示：
本节我们会介绍toString()方法，其他方法我们会在后续章节中逐步介绍。toString()方法的目的是返回一个对象的文本描述，这个方法可以直接被所有类使用。
比如说，对于我们之前介绍的Point类，可以这样使用toString方法：
Point p = new Point(2,3); System.out.println(p.toString());
输出类似这样：
Point@76f9aa66
这是什么意思呢？@之前是类名，@之后的内容是什么呢？我们来看下toString的代码：
public String toString() { return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode()); }
getClass().getName() 返回当前对象的类名，hashCode()返回一个对象的哈希值，哈希我们会在后续章节中介绍，这里可以理解为是一个整数，这个整数默认情况下，通常是对 象的内存地址值，Integer.toHexString(hashCode())返回这个哈希值的16进制表示。
为什么要这么写呢？写类名是可以理解的，表示对象的类型，而写哈希值则是不得已的，因为Object类并不知道具体对象的属性，不知道怎么用文本描述，但又需要区分不同对象，只能是写一个哈希值。
但子类是知道自己的属性的，子类可以重写父类的方法，以反映自己的不同实现。所谓重写，就是定义和父类一样的方法，并重新实现。
Point类 - 重写toString()
我们再来看下Point类，这次我们重写了toString()方法。
public class Point { private int x; private int y; public Point(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; } public double distance(Point point){ return Math.sqrt(Math.pow(this.x-point.getX(),2) +Math.pow(this.y-point.getY(), 2)); } public int getX() { return x; } public int getY() { return y; } @Override public String toString() { return "("+x+","+y+")"; } }
toString方法前面有一个 @Override，这表示toString这个方法是重写的父类的方法，重写后的方法返回Point的x和y坐标的值。重写后，将调用子类的实现。比如，如下代码的输出就变成了：(2,3)
Point p = new Point(2,3); System.out.println(p.toString());
图形处理类
接下来，我们以一些图形处理中的例子来进一步解释，先来看幅图：
这都是一些基本的图形，图形有线、正方形、三角形、圆形等，图形有不同的颜色。接下来，我们定义以下类来说明关于继承的一些概念：
- 父类Shape，表示图形。
- 类Circle，表示圆。
- 类Line，表示直线。
- 类ArrowLine，表示带箭头的直线。
图形 (Shape)
所有图形都有一个表示颜色的属性，有一个表示绘制的方法，下面是代码：
public class Shape { private static final String DEFAULT_COLOR = "black"; private String color; public Shape() { this(DEFAULT_COLOR); } public Shape(String color) { this.color = color; } public String getColor() { return color; } public void setColor(String color) { this.color = color; } public void draw(){ System.out.println("draw shape"); } }
以上代码基本没什么可解释的，实例变量color表示颜色，draw方法表示绘制，我们不会写实际的绘制代码，主要是演示继承关系。
圆 (Circle)
圆继承自Shape，但包括了额外的属性，中心点和半径，以及额外的方法area，用于计算面积，另外，重写了draw方法，代码如下：
public class Circle extends Shape { //中心点 private Point center; //半径 private double r; public Circle(Point center, double r) { this.center = center; this.r = r; } @Override public void draw() { System.out.println("draw circle at " +center.toString()+" with r "+r +", using color : "+getColor()); } public double area(){ return Math.PI*r*r; } }
说明几点：
- Java使用extends关键字标明继承关系，一个类最多只能有一个父类。
- 子类不能直接访问父类的私有属性和方法，比如，在Circle中，不能直接访问shape的私有实例变量color。
- 除了私有的外，子类继承了父类的其他属性和方法，比如，在Circle的draw方法中，可以直接调用getColor()方法。
看下使用它的代码：
public static void main(String[] args) { Point center = new Point(2,3); //创建圆，赋值给circle Circle circle = new Circle(center,2); //调用draw方法，会执行Circle的draw方法 circle.draw(); //输出圆面积 System.out.println(circle.area()); }
程序的输出为：
draw circle at (2,3) with r 2.0, using color : black
12.566370614359172
这里比较奇怪的是，color是什么时候赋值的？在new的过程中，父类的构造方法也会执行，且会优先于子类先执行。在这个例子中，父类Shape的默认构造方法会在子类Circle的构造方法之前执行。关于new过程的细节，我们会在后续章节进一步介绍。
直线 (Line)
线继承自Shape，但有两个点，有一个获取长度的方法，另外，重写了draw方法，代码如下：
public class Line extends Shape { private Point start; private Point end; public Line(Point start, Point end, String color) { super(color); this.start = start; this.end = end; } public double length(){ return start.distance(end); } public Point getStart() { return start; } public Point getEnd() { return end; } @Override public void draw() { System.out.println("draw line from " + start.toString()+" to "+end.toString() + ",using color "+super.getColor()); } }
这里我们要说明的是super这个关键字，super用于指代父类，可用于调用父类构造方法，访问父类方法和变量：
- 在line构造方法中，super(color)表示调用父类的带color参数的构造方法，调用父类构造方法时，super(...)必须放在第一行。
- 在draw方法中，super.getColor()表示调用父类的getColor方法，当然不写super.也是可以的，因为这个方法子类没有同名的，没有歧义，当有歧义的时候，通过super.可以明确表示调用父类的。
- super同样可以引用父类非私有的变量。
可以看出，super的使用与this有点像，但super和this是不同的，this引用一个对象，是实实在在存在的，可以作为函数参数，可以作为返回值，但super只是一个关键字，不能作为参数和返回值，它只是用于告诉编译器访问父类的相关变量和方法。
带箭头直线 (ArrowLine)
带箭头直线继承自Line，但多了两个属性，分别表示两端是否有箭头，也重写了draw方法，代码如下：
public class ArrowLine extends Line { private boolean startArrow; private boolean endArrow; public ArrowLine(Point start, Point end, String color, boolean startArrow, boolean endArrow) { super(start, end, color); this.startArrow = startArrow; this.endArrow = endArrow; } @Override public void draw() { super.draw(); if(startArrow){ System.out.println("draw start arrow"); } if(endArrow){ System.out.println("draw end arrow"); } } }
ArrowLine继承自Line，而Line继承自Shape，ArrowLine的对象也有Shape的属性和方法。
注意draw方法的第一行，super.draw()表示调用父类的draw()方法，这时候不带super.是不行的，因为当前的方法也叫draw()。
需要说明的是，这里ArrowLine继承了Line，也可以直接在类Line里加上属性，而不需要单独设计一个类ArrowLine，这里主要是演示继承的层次性。
图形管理器
使用继承的一个好处是可以统一处理不同子类型的对象，比如说，我们来看一个图形管理者类，它负责管理画板上的所有图形对象并负责绘制，在绘制代码中，只需要将每个对象当做Shape并调用draw方法就可以了，系统会自动执行子类的draw方法。代码如下：
public class ShapeManager { private static final int MAX_NUM = 100; private Shape[] shapes = new Shape[MAX_NUM]; private int shapeNum = 0; public void addShape(Shape shape){ if(shapeNum<MAX_NUM){ shapes[shapeNum++] = shape; } } public void draw(){ for(int i=0;i<shapeNum;i++){ shapes[i].draw(); } } }
ShapeManager使用一个数组保存所有的shape，在draw方法中调用每个shape的draw方法。ShapeManager并不知道每个shape具体的类型，也不关心，但可以调用到子类的draw方法。
我们来看下使用ShapeManager的一个例子：
public static void main(String[] args) { ShapeManager manager = new ShapeManager(); manager.addShape(new Circle(new Point(4,4),3)); manager.addShape(new Line(new Point(2,3), new Point(3,4),"green")); manager.addShape(new ArrowLine(new Point(1,2), new Point(5,5),"black",false,true)); manager.draw(); }
新建了三个shape，分别是一个圆、直线和带箭头的线，然后加到了shape manager中，然后调用manager的draw方法。
需要说明的是，在addShape方法中，参数Shape shape，声明的类型是Shape，而实际的类型则分别是Circle，Line和ArrowLine。子类对象赋值给父类引用变量，这叫向上转型，转型就是转换类型，向上转型就是转换为父类类型。
变量shape可以引用任何Shape子类类型的对象，这叫多态，即一种类型的变量，可引用多种实际类型对象。这样，对于变量shape，它就有两个类型，类型Shape，我们称之为shape的静态类型，类型Circle/Line/ArrowLine，我们称之为shape的动态类型。在ShapeManager的draw方法中，shapes[i].draw()调用的是其对应动态类型的draw方法，这称之为方法的动态绑定。
为什么要有多态和动态绑定呢？创建对象的代码 (ShapeManager以外的代码）和操作对象的代码(ShapeManager本身的代码），经常不在一起，操作对象的代码往往只知道对象是某种父类型，也往往只需要知道它是某种父类型就可以了。
可以说，多态和动态绑定是计算机程序的一种重要思维方式，使得操作对象的程序不需要关注对象的实际类型，从而可以统一处理不同对象，但又能实现每个对象的特有行为。后续章节我们会进一步介绍动态绑定的实现原理。
小结
本节介绍了继承和多态的基本概念：
- 每个类有且只有一个父类，没有声明父类的其父类为Object，子类继承了父类非private的属性和方法，可以增加自己的属性和方法，可以重写父类的方法实现。
- new过程中，父类先进行初始化，可通过super调用父类相应的构造方法，没有使用super的话，调用父类的默认构造方法。
- 子类变量和方法与父类重名的情况下，可通过super强制访问父类的变量和方法。
- 子类对象可以赋值给父类引用变量，这叫多态，实际执行调用的是子类实现，这叫动态绑定。
但关于继承，还有很多细节，比如实例变量重名的情况。另外，继承虽然可以复用代码，便于统一处理不同子类的对象，但继承其实是把双刃剑，使用不当，也有很多问题。让我们下节来讨论这些问题，而关于继承和多态的实现原理，让我们再下节来讨论。
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