Java入门记(二)：向上转型与向下转型

　　在对Java学习的过程中，对于转型这种操作比较迷茫，特总结出了此文。例子参考了《Java编程思想》。

　　　　目录

几个同义词

向上转型与向下转型

　　例一：向上转型，调用指定的父类方法

　　例二：向上转型，动态绑定

　　例三：向上转型，静态绑定

　　例四：向下转型

转型的误区

　　1.运行信息（RTTI）

　　2.数组类型

　　3.Java容器

 

几个同义词

　　首先是几组同义词。它们出现在不同的书籍上，这是造成理解混淆的原因之一。

　　父类/超类/基类

　　子类/导出类/继承类/派生类

　　静态绑定/前期绑定

　　动态绑定/后期绑定/运行时绑定

 

向上转型与向下转型

例一：向上转型，调用指定的父类方法

class Shape {
　　static void draw(Shape s) {
        System.out.println("Shape draw.");
    }
}

class Circle extends Shape {
　　static void draw(Circle c) {
        System.out.println("Circle draw.");
    }
}

public class CastTest {
    public static void main(String args[]) {
        Circle c = new Circle();
        Shape.draw(c);
    }
}

输出为

Shape draw.

　　这表明，draw(Shape s)方法本来被设计为接受Shape引用，但这里传递的是Circle引用。实际上draw(Shape s)方法可以对所有Shape类的导出类使用，这被称为向上转型。表现的行为，和方法所属的类别一致。换句话说，由于明确指出是父类Shape的方法，那么其行为必然是这个方法对应的行为，没有任何歧义可言。

　　“向上转型”的命名来自于类继承图的画法：根置于顶端，然后逐渐向下，以本例中两个类为例，如下图所示：

例二：向上转型，动态绑定

class Shape {
    public void draw() {
        System.out.println("Shape draw.");
    }
}

class Circle extends Shape {
    public void draw() {
        System.out.println("Circle draw.");
    }
}

public class CastTest {
    public static void drawInTest(Shape s) {
        s.draw();
    }
    public static void main(String args[]) {
        Circle c = new Circle();
        drawInTest(c);
    }
}

输出为

　　Circle draw.

　　这样做的原因是，一个drawInTest(Shape s)就可以处理Shape所有子类，而不必为每个子类提供自己的方法。但这个方法能能调用父类和子类所共有的方法，即使二者行为不一致，也只会表现出对应的子类方法的行为。这是多态所允许的，但容易产生迷惑。

例三：向上转型，静态绑定

class Shape {
    public static void draw() {
        System.out.println("Shape draw.");
    }
}

class Circle extends Shape {
    public static void draw() {
        System.out.println("Circle draw.");
    }
}

public class CastTest {
    public static void drawInTest(Shape s) {
        s.draw();
    }
    public static void main(String args[]) {
        Circle c = new Circle();
        drawInTest(c);
    }
}

输出为

　　Shape draw.

　　例三与例二有什么区别？细看之下才会发现，例三里调用的方法被static修饰了，得到了完全不同的结果。

　　这两例行为差别的原因是：Java中除了static方法和final方法（包括private方法），其他方法都是动态绑定的。对于一个传入的基类引用，后期绑定能够正确的识别其所属的导出类。加了static，自然得不到这个效果了。

　　了解了这一点之后，就可以明白为什么要把例一写出来了。例一中的代码明确指出调用父类方法，而例三调用哪个方法是静态绑定的，不是直接指明的，稍微绕了一下。

例四：向下转型

　　出自《Java编程思想》8.5.2节，稍作了修改，展示如何通过类型转换获得子类独有方法的访问方式。

　　这相当于告诉了编译器额外的信息，编译器将据此作出检查。

class Useful {
    public void f() {System.out.println("f() in Useful");}
    public void g() {System.out.println("g() in Useful");}
}

class MoreUseful extends Useful {
    public void f() {System.out.println("f() in MoreUseful");}
    public void g() {System.out.println("g() in MoreUseful");}
    public void u() {System.out.println("u() in MoreUseful");}

}

public class RTTI {
    public static void main(String[] args) {
        Useful[] x = {
            new Useful(),
            new MoreUseful()
        };
        x[0].f();
        x[1].g();
        // Compile-time: method not found in Useful:
        //! x[1].u();
        ((MoreUseful)x[1]).u(); // Downcast/RTTI
        ((MoreUseful)x[0]).u(); // Exception thrown
    }
}    

输出

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: Useful cannot be cast to MoreUseful
at RTTI.main(RTTI.java:44)
f() in Useful
g() in MoreUseful
u() in MoreUseful

　　虽然父类Useful类型的x[1]接收了一个子类MoreUseful对象的引用，但仍然不能直接调用其子类中的u()方法。如果需要调用，需要做向下转型。这种用法很常见，比如一个通用的方法，处理的入参是一个父类，处理时根据入参的类型信息转化成对应的子类使用不同的逻辑处理。 

　　此外，父类对象不能向下转换成子类对象。

　　向下转型的好处，在学习接口时会明显地体会出来（如果把实现接口看作多重继承）。可以参考9.4节的例子，这里不做详述：

interface CanFight {
    void fight();
}
interface CanSwim {
    void swim();
}
interface CanFly {
    void fly();
}

class ActionCharacter {
    public void fight() {}
}

class Hero extends ActionCharacter implements CanFight, CanSwim, CanFly {
    public void swim() {}
    public void fly() {}
}

public class Adventure {
    static void t(CanFight x) { x.fight(); }
    static void u(CanSwim x) { x.swim(); }
    static void v(CanFly x) { x.fly(); }
    static void w(ActionCharacter x) { x.fight(); }
    public static void main(String[] args) {
        Hero i = new Hero();
        t(i); // Treat it as a CanFight
        u(i); // Treat it as a CanSwim
        v(i); // Treat it as a CanFly
        w(i); // Treat it as an ActionCharacter
    }
}

 

转型的误区

　　转型很方便，利用转型可以写出灵活的代码。不过，如果用得随心所欲而忘乎所以的话，难免要跌跟头。下面是几种看似可以转型，实际会导致错误的情形。

1.运行信息（RTTI）

/* 本例代码节选自《Java编程思想》14.2.2节 */

Class<Number> genericNumberClass = int.class

　　这段代码是无效的，编译不能通过，即使把int换为Integer也同样不通过。虽然int的包装类Integer是Number的子类，但Integer Class对象并不是Number Class对象的子类。

2.数组类型

/* 代码节改写《Java编程思想》15.8.2节，本例与泛型与否无关。 */

class Generic<T> {}

public class ArrayOfGeneric {
    static final int SIZE = 100;
    static Generic<Integer>[] gia;
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public static void main(String[] args) {
        //! gia = (Generic<Integer>[]) new Object[SIZE];
        gia = (Generic<Integer>[]) new Generic[SIZE];
    }
}

　　注释部分在去掉注释后运行会提示java.lang.ClassCastException。这里令人迷惑的地方在于，子类数组类型不是父类数组类型的子类。在异常提示的后面可以看到

[Ljava.lang.Object; cannot be cast to [LGeneric;

　　除了通过控制台输出的异常信息，可以使用下面的代码来看看gia究竟是什么类型：

        Object[] obj = new Object[SIZE];
        gia = (Generic<Integer>[]) new Generic[SIZE];
        System.out.println(obj.getClass().getName());
        System.out.println(gia.getClass().getName());
        System.out.println(obj.getClass().getClass().getName());
        System.out.println(gia.getClass().getSuperclass().getName());

控制台输出为：

[Ljava.lang.Object;
[LGeneric;
java.lang.Object
java.lang.Object

　　可见，由Generic<Integer>[] gia和Object[] obj定义出的gia和obj根本没有任何继承关系，自然不能类型转换，不管这个数组里是否放的是子类的对象。（子类对象是可以通过向上转型获得的，如果被转换的确实是一个子类对象，见例四）

3.Java容器

/* 代码节选自《Java编程思想》15.10节*/
class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
    // 无法编译
    List<Fruit> fruitList = new ArrayList<Apple>();
    }
}

　　明明Fruit的List是可以存放Apple对象的，为什么赋值失败？其实这根本不是向上转型。虽然可以通过getClass().getName()得知List<Fruit>和List<Apple>同属java.util.ArrayList类型，但是，假设这里可以编译通过，相当于允许向ArrayList<Apple>存放一个Orange对象，显然是不合理的。虽然由于泛型的擦除，ArrayList<Fruit>和ArrayList<Apple>在运行期是同一种类型，但是具体能持有的元素类型会在编译期进行检查。