【浅谈Java】面向对象基础

• 一、方法
  • 定义方法
  • private方法
  • this变量
  • 方法参数
  • 可变参数
  • 参数绑定
  • 小结
• 二、构造方法
  • 默认构造方法
  • 多构造方法
  • 小结
• 三、方法重载
  • 小结
• 四、继承
  • 继承树
  • protected
  • super
  • 阻止继承
  • 向上转型
  • 向下转型
  • 区分继承和组合
  • 小结
• 五、多态
  • 多态
  • 覆写Object方法
  • 调用super
  • final
  • 小结
• 六、抽象类
  • 抽象类
  • 面向抽象编程
  • 小结
• 七、接口
  • 接口继承
  • 继承关系
  • default方法
  • 小结

一、方法

一个class可以包含多个field，例如，我们给Person类就定义了两个field：

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

但是直接把field用public暴露给外部可能会破坏封装性。比如：

Person ming = new Person();
ming.name = "Xiao Ming";
ming.age = -99; // age设置为负数 

显然，直接操作field，容易造成逻辑混乱。为了避免外部代码直接访问field，我们可以用private修饰field，拒绝外部访问：

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

把field从public改成private，外部代码不能访问这些field，那怎么才能给它赋值和取值呢？虽然外部代码不能直接修改private字段，但是调用setName()和setAge()方法就可以间接修改field：

// private field
class Person {
    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return this.name;
    }

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

    public int getAge() {
        return this.age;
    }

    public void setAge(int age) {
        if (age < 0 || age > 100) {
            throw new IllegalArgumentException("invalid age value");
        }
        this.age = age;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person ming = new Person();
        ming.setName("Xiao Ming"); // 设置name
        ming.setAge(12); // 设置age
        System.out.println(ming.getName() + ", " + ming.getAge());
    }
} 

在方法内部会检查参数对不对。比如，setAge()就会检查传入的参数，参数超出了范围直接报错。这样，外部代码就没有任何机会把age设置成不合理的值。所以，一个类通过定义方法，就可以给外部代码暴露一些操作的接口，同时内部自己保证逻辑一致性。调用方法的语法是实例变量.方法名(参数);。

定义方法

从上面的代码可以看出，定义方法的语法是：

修饰符 方法返回类型 方法名(方法参数列表) {
    若干方法语句;
    return 方法返回值;
} 

方法返回值通过return语句实现，如果没有返回值，返回类型设置为void，可以省略return。

private方法

有public方法，自然就有private方法。和private字段一样，private方法不允许外部调用，定义private方法的理由是内部方法是可以调用private方法的。例如：

// private method
class Person {
    private String name;
    private int birth;

    public void setBirth(int birth) {
        this.birth = birth;
    }

    public int getAge() {
        return calcAge(2019); // 调用private方法
    }

    // private方法:
    private int calcAge(int currentYear) {
        return currentYear - this.birth;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person ming = new Person();
        ming.setBirth(2008);
        System.out.println(ming.getAge());
    }
} 

观察上述代码，calcAge()是一个private方法，外部代码无法调用，但内部方法getAge()可以调用它。

此外，我们还注意到，这个Person类只定义了birth字段，没有定义age字段，获取age时，通过方法getAge()返回的是一个实时计算的值，并非存储在某个字段的值。这说明方法可以封装一个类的对外接口，调用方不需要知道也不关心Person实例在内部到底有没有age字段。

this变量

在方法内部，this 代表当前实例。因此，通过this.field就可以访问当前实例的字段。如果没有命名冲突，可以省略this。例如：

class Person {
    private String name;

    public String getName() {
        return name; // 相当于this.name
    }
} 

但是，如果有局部变量和字段重名，那么局部变量优先级更高，就必须加上this：

class Person {
    private String name;

    public void setName(String name) {
        this.name = name; // 前面的this不可少，少了就变成局部变量name了
    }
} 

方法参数

方法可以包含0个或多个参数。方法参数用于接收传递给方法的变量值。调用方法时，必须严格按照参数的定义一一传递。例如：

class Person {
    ...
    public void setNameAndAge(String name, int age) {
        ...
    }
} 

调用这个setNameAndAge()方法时，必须有两个参数，且第一个参数必须为String，第二个参数必须为int：

Person ming = new Person();
ming.setNameAndAge("Xiao Ming"); // 编译错误：参数个数不对
ming.setNameAndAge(12, "Xiao Ming"); // 编译错误：参数类型不对 

可变参数

可变参数用类型...定义，可变参数相当于数组类型：

class Group {
    private String[] names;

    public void setNames(String... names) {
        this.names = names;
    }
} 

上面的setNames()就定义了一个可变参数。调用时，可以这么写：

Group g = new Group();
g.setNames("Xiao Ming", "Xiao Hong", "Xiao Jun"); // 传入3个String
g.setNames("Xiao Ming", "Xiao Hong"); // 传入2个String
g.setNames("Xiao Ming"); // 传入1个String
g.setNames(); // 传入0个String 

完全可以把可变参数改写为String[]类型：

class Group {
    private String[] names;

    public void setNames(String[] names) {
        this.names = names;
    }
} 

但是，调用方需要自己先构造String[]，比较麻烦。例如：

Group g = new Group();
g.setNames(new String[] {"Xiao Ming", "Xiao Hong", "Xiao Jun"}); // 传入1个String[] 

另一个问题是，调用方可以传入null：

Group g = new Group();
g.setNames(null); 

而可变参数可以保证无法传入null，因为传入0个参数时，接收到的实际值是一个空数组而不是null。

参数绑定

调用方把参数传递给实例方法时，调用时传递的值会按参数位置一一绑定，例如：

// 基本类型参数绑定
class Person {
    private int age;

    public int getAge() {
        return this.age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person();
        int n = 15; // n的值为15
        p.setAge(n); // 传入n的值
        System.out.println(p.getAge()); // 15
        n = 20; // n的值改为20
        System.out.println(p.getAge()); // 15还是20?
    }
} 

运行代码可知，修改外部的局部变量n，不影响实例p的age字段，原因是setAge()方法获得的参数，复制了n的值，因此，p.age和局部变量n互不影响。

结论：基本类型参数的传递，是调用方值的复制。双方各自的后续修改，互不影响。

我们再看一个传递引用参数的例子：

// 引用类型参数绑定
class Person {
    private String[] name;

    public String getName() {
        return this.name[0] + " " + this.name[1];
    }

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

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person();
        String[] fullname = new String[] { "a", "b" };
        p.setName(fullname); // 传入fullname数组
        System.out.println(p.getName()); // "a b"
        fullname[0] = "c"; // fullname数组的第一个元素修改为"c"
        System.out.println(p.getName()); // "a b"还是"c b"?
    }
} 

注意到setName()的参数是一个数组。一开始把fullname数组传进去，然后修改fullname数组的内容，结果发现实例p的字段p.name也被修改了！

结论：引用类型参数的传递，调用方的变量，和接收方的参数变量，指向的是同一个对象。双方任意一方对这个对象的修改，都会影响对方（因为指向同一个对象）。

小结

• 方法可以让外部代码安全地访问实例字段；
• 方法是一组执行语句，并且可以执行任意逻辑；
• 方法内部遇到return时返回，void表示不返回任何值（注意和返回null不同）；
• 外部代码通过public方法操作实例，内部代码可以调用private方法；
• 理解方法的参数绑定。

二、构造方法

创建实例的时候，经常需要同时初始化这个实例的字段，如果忘了调用setName()或者setAge()，这个实例内部的状态就是不正确的。例如：

Person ming = new Person();
ming.setName("小明");
ming.setAge(12); 

能否在创建对象实例时就把内部字段全部初始化为合适的值？这时就需要构造方法。

创建实例的时候，实际上是通过构造方法来初始化实例的。我们先来定义一个构造方法，能在创建Person实例的时候，一次性传入name和age，完成初始化：

// 构造方法
class Person {
    private String name;
    private int age;

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

    public int getAge() {
        return this.age;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person("Xiao Ming", 15);
        System.out.println(p.getName());
        System.out.println(p.getAge());
    }
} 

由于构造方法是如此特殊，所以构造方法的名称就是类名。构造方法的参数没有限制，在方法内部，也可以编写任意语句。但是，和普通方法相比，构造方法没有返回值（也没有void），调用构造方法，必须用new操作符。

默认构造方法

任何class都有构造方法。那前面我们并没有为Person类编写构造方法，为什么可以调用new Person()？

原因是如果一个类没有定义构造方法，编译器会自动为我们生成一个默认构造方法，它没有参数，也没有执行语句，类似这样：

class Person {
    public Person() {
    }
} 

注意：如果我们自定义了一个构造方法，那么，编译器就_不再_自动创建默认构造方法

// 构造方法
class Person {
    private String name;
    private int age;

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

    public int getAge() {
        return this.age;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person(); // 编译错误:找不到这个构造方法
    }
} 

如果既要能使用带参数的构造方法，又想保留不带参数的构造方法，那么只能把两个构造方法都定义出来：

// 构造方法
class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person() {
    }

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

    public int getAge() {
        return this.age;
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Xiao Ming", 15); // 既可以调用带参数的构造方法
        Person p2 = new Person(); // 也可以调用无参数构造方法
    }
} 

没有在构造方法中初始化字段时，引用类型的字段默认是null，数值类型的字段用默认值，int类型默认值是0，布尔类型默认值是false：

class Person {
    private String name; // 默认初始化为null
    private int age; // 默认初始化为0

    public Person() {
    }
} 

也可以对字段直接进行初始化：

class Person {
    private String name = "Unamed";
    private int age = 10;
} 

那么问题来了：既对字段进行初始化，又在构造方法中对字段进行初始化：

class Person {
    private String name = "Unamed";
    private int age = 10;

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

当我们创建对象的时候，new Person("Xiao Ming", 12)得到的对象实例，字段的初始值是啥？

在Java中，创建对象实例的时候，按照如下顺序进行初始化：

1. 先初始化字段，例如，int age = 10;表示字段初始化为10，double salary;表示字段默认初始化为0，String name;表示引用类型字段默认初始化为null；
2. 执行构造方法的代码进行初始化。

因此，构造方法的代码由于后运行，所以，new Person("Xiao Ming", 12)的字段值最终由构造方法的代码确定。

多构造方法

可以定义多个构造方法，在通过new操作符调用的时候，编译器通过构造方法的参数数量、位置和类型自动区分：

class Person {
    private String name;
    private int age;

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

    public Person(String name) {
        this.name = name;
        this.age = 12;
    }

    public Person() {
    }
} 

如果调用new Person("Xiao Ming", 20);，会自动匹配到构造方法public Person(String, int)。

如果调用new Person("Xiao Ming");，会自动匹配到构造方法public Person(String)。

如果调用new Person();，会自动匹配到构造方法public Person()。

一个构造方法可以调用其他构造方法，这样做的目的是便于代码复用。调用其他构造方法的语法是this(…)：

class Person {
    private String name;
    private int age;

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

    public Person(String name) {
        this(name, 18); // 调用另一个构造方法Person(String, int)
    }

    public Person() {
        this("Unnamed"); // 调用另一个构造方法Person(String)
    }
} 

小结

实例在创建时通过new操作符会调用其对应的构造方法，构造方法用于初始化实例；

没有定义构造方法时，编译器会自动创建一个默认的无参数构造方法；

可以定义多个构造方法，编译器根据参数自动判断；

可以在一个构造方法内部调用另一个构造方法，便于代码复用。

三、方法重载

在一个类中，我们可以定义多个方法。如果有一系列方法，它们的功能都是类似的，只有参数有所不同，那么，可以把这一组方法名做成_同名_方法。例如，在Hello类中，定义多个hello()方法：

class Hello {
    public void hello() {
        System.out.println("Hello, world!");
    }

    public void hello(String name) {
        System.out.println("Hello, " + name + "!");
    }

    public void hello(String name, int age) {
        if (age < 18) {
            System.out.println("Hi, " + name + "!");
        } else {
            System.out.println("Hello, " + name + "!");
        }
    }
} 

这种方法名相同，但各自的参数不同，称为方法重载（Overload）。

==注意：==方法重载的返回值类型通常都是相同的。

方法重载的目的是，功能类似的方法使用同一名字，更容易记住，因此，调用起来更简单。

举个例子，String类提供了多个重载方法indexOf()，可以查找子串：

• int indexOf(int ch)：根据字符的Unicode码查找；
• int indexOf(String str)：根据字符串查找；
• int indexOf(int ch, int fromIndex)：根据字符查找，但指定起始位置；
• int indexOf(String str, int fromIndex)根据字符串查找，但指定起始位置。

小结

方法重载是指多个方法的方法名相同，但各自的参数不同；

重载方法应该完成类似的功能，参考String的indexOf()；

重载方法返回值类型应该相同。

四、继承

在前面我们已经定义了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？这时就用到继承了。

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) { … }
} 

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。

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类无法访问Person类的name字段：

class Person {
    private String name;
}

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。

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
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;
    }
}

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

运行上面的代码会报错，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;
    }
} 

因此得知：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。

注意：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。如果写是没问题的，因为Rect出现在Shape的permits列表中。

public final class Rect extends Shape {...} 

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());
        }
    }
} 
```java

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：

```java
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。

五、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 

有童鞋会问，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，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？

我们还是来举栗子。

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;
    }
}

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;
    }
}

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
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。

六、抽象类

由于多态的存在，每个子类都可以覆写父类的方法，例如：

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

class Student extends Person {
    @Override
    public void run() { … }
}

class Teacher extends Person {
    @Override
    public void run() { … }
} 

从Person类派生的Student和Teacher都可以覆写run()方法。

如果父类Person的run()方法没有实际意义，能否去掉方法的执行语句？

class Person {
    public void run(); // Compile Error!
} 

答案是不行，会导致编译错误，因为定义方法的时候，必须实现方法的语句。

能不能去掉父类的run()方法？

答案还是不行，因为去掉父类的run()方法，就失去了多态的特性。例如，runTwice()就无法编译：

public void runTwice(Person p) {
    p.run(); // Person没有run()方法，会导致编译错误
    p.run();
} 

如果父类的方法本身不需要实现任何功能，仅仅是为了定义方法签名，目的是让子类去覆写它，那么，可以把父类的方法声明为抽象方法：

class Person {
    public abstract void run();
} 

把一个方法声明为abstract，表示它是一个抽象方法，本身没有实现任何方法语句。因为这个抽象方法本身是无法执行的，所以，Person类也无法被实例化。编译器会告诉我们，无法编译Person类，因为它包含抽象方法。

必须把Person类本身也声明为abstract，才能正确编译它：

abstract class Person {
    public abstract void run();
} 

抽象类

如果一个class定义了方法，但没有具体执行代码，这个方法就是抽象方法，抽象方法用abstract修饰。

因为无法执行抽象方法，因此这个类也必须申明为抽象类（abstract class）。

使用abstract修饰的类就是抽象类。我们无法实例化一个抽象类：

Person p = new Person(); // 编译错误 

无法实例化的抽象类有什么用？

因为抽象类本身被设计成只能用于被继承，因此，抽象类可以强迫子类实现其定义的抽象方法，否则编译会报错。因此，抽象方法实际上相当于定义了“规范”。

例如，Person类定义了抽象方法run()，那么，在实现子类Student的时候，就必须覆写run()方法：

// abstract class
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Student();
        p.run();
    }
}

abstract class Person {
    public abstract void run();
}

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

面向抽象编程

当我们定义了抽象类Person，以及具体的Student、Teacher子类的时候，我们可以通过抽象类Person类型去引用具体的子类的实例：

Person s = new Student();
Person t = new Teacher(); 

这种引用抽象类的好处在于，我们对其进行方法调用，并不关心Person类型变量的具体子类型：

// 不关心Person变量的具体子类型:
s.run();
t.run(); 

同样的代码，如果引用的是一个新的子类，我们仍然不关心具体类型：

// 同样不关心新的子类是如何实现run()方法的：
Person e = new Employee();
e.run(); 

这种尽量引用高层类型，避免引用实际子类型的方式，称之为面向抽象编程。

面向抽象编程的本质就是：

• 上层代码只定义规范（例如：abstract class Person）；
• 不需要子类就可以实现业务逻辑（正常编译）；
• 具体的业务逻辑由不同的子类实现，调用者并不关心。

小结

• 通过abstract定义的方法是抽象方法，它只有定义，没有实现。抽象方法定义了子类必须实现的接口规范；
• 定义了抽象方法的class必须被定义为抽象类，从抽象类继承的子类必须实现抽象方法；
• 如果不实现抽象方法，则该子类仍是一个抽象类；
• 面向抽象编程使得调用者只关心抽象方法的定义，不关心子类的具体实现。

七、接口

在抽象类中，抽象方法本质上是定义接口规范：即规定高层类的接口，从而保证所有子类都有相同的接口实现，这样，多态就能发挥出威力。

如果一个抽象类没有字段，所有方法全部都是抽象方法：

abstract class Person {
    public abstract void run();
    public abstract String getName();
} 

就可以把该抽象类改写为接口：interface。

在Java中，使用interface可以声明一个接口：

interface Person {
    void run();
    String getName();
} 

所谓interface，就是比抽象类还要抽象的纯抽象接口，因为它连字段都不能有。因为接口定义的所有方法默认都是public abstract的，所以这两个修饰符不需要写出来（写不写效果都一样）。

当一个具体的class去实现一个interface时，需要使用implements关键字。举个例子：

class Student implements Person {
    private String name;

    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(this.name + " run");
    }

    @Override
    public String getName() {
        return this.name;
    }
} 

Java 属于单继承，不能从多个类继承。但是，一个类可以实现多个interface，例如：

class Student implements Person, Hello { // 实现了两个interface
    ...
} 

抽象类和接口的对比如下：

	abstract class	interface
继承	只能extends一个class	可以implements多个interface
字段	可以定义实例字段	不能定义实例字段
抽象方法	可以定义抽象方法	可以定义抽象方法
非抽象方法	可以定义非抽象方法	可以定义default方法

接口继承

一个interface可以继承自另一个interface。interface继承自interface使用extends，它相当于扩展了接口的方法。例如：

interface Hello {
    void hello();
}

interface Person extends Hello {
    void run();
    String getName();
} 

此时，Person接口继承自Hello接口，因此，Person接口现在实际上有3个抽象方法签名，其中一个来自继承的Hello接口。

继承关系

合理设计interface和abstract class的继承关系，可以充分复用代码。一般来说，公共逻辑适合放在abstract class中，具体逻辑放到各个子类，而接口层次代表抽象程度。在使用的时候，实例化的对象永远只能是某个具体的子类，但总是通过接口去引用它，因为接口比抽象类更抽象：

List list = new ArrayList(); // 用List接口引用具体子类的实例
Collection coll = list; // 向上转型为Collection接口
Iterable it = coll; // 向上转型为Iterable接口 

default方法

在接口中，可以定义default方法。例如，把Person接口的run()方法改为default方法：

// interface
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Student("Xiao Ming");
        p.run();
    }
}

interface Person {
    String getName();
    default void run() {
        System.out.println(getName() + " run");
    }
}

class Student implements Person {
    private String name;

    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return this.name;
    }
} 

实现类可以不必覆写default方法。default方法的目的是，当我们需要给接口新增一个方法时，会涉及到修改全部子类。如果新增的是default方法，那么子类就不必全部修改，只需要在需要覆写的地方去覆写新增方法。

default方法和抽象类的普通方法是有所不同的。因为interface没有字段，default方法无法访问字段，而抽象类的普通方法可以访问实例字段。

小结

Java的接口（interface）定义了纯抽象规范，一个类可以实现多个接口；

接口也是数据类型，适用于向上转型和向下转型；

接口的所有方法都是抽象方法，接口不能定义实例字段；

接口可以定义default方法（JDK>=1.8）。