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Java学习笔记（4）：多态

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一、多态

在Java中，父类的变量可以引用父类的实例，也可以引用子类的实例。请读者先看一段代码：

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public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        Animal obj = new Animal();
        obj.cry();
        obj = new Cat();
        obj.cry();
        obj = new Dog();
        obj.cry();
    }
}
class Animal{
    // 动物的叫声
    public void cry(){
        System.out.println("不知道怎么叫");
    }
   
}
class Cat extends Animal{
    // 猫的叫声
    public void cry(){
        System.out.println("喵喵~");
    }
}
class Dog extends Animal{
    // 狗的叫声
    public void cry(){
        System.out.println("汪汪~");
    }
}

运行结果：

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不知道怎么叫
喵喵~
汪汪~

上面的代码，定义了三个类，分别是 Animal、Cat 和 Dog，Cat 和 Dog 类都继承自 Animal 类。obj 变量的类型为 Animal，它既可以指向 Animal 类的实例，也可以指向 Cat 和 Dog 类的实例，这是正确的。也就是说，父类的变量可以引用父类的实例，也可以引用子类的实例。注意反过来是错误的，因为所有的猫都是动物，但不是所有的动物都是猫。

可以看出，obj 既可以是人类，也可以是猫、狗，它有不同的表现形式，这就被称为多态。多态是指一个事物有不同的表现形式或形态。

再比如“人类”，也有很多不同的表达或实现，TA 可以是司机、教师、医生等，你憎恨自己的时候会说“下辈子重新做人”，那么你下辈子成为司机、教师、医生都可以，我们就说“人类”具备了多态性。

多态存在的三个必要条件：要有继承、要有重写、父类变量引用子类对象。

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public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        Animal obj = new Animal();
        obj.cry();
        obj = new Cat();
        obj.bark();
        obj = new Dog();
        obj.cry();
    }
}
class Animal{
    // 动物的叫声
    public void cry(){
        System.out.println("不知道怎么叫");
    }
    public void bark() {
    		System.out.println("哈哈！！");
    }
    
   
}
class Cat extends Animal{
    // 猫的叫声
    public void cry(){
        System.out.println("喵喵~");
    }
    public void bark(){
    		System.out.println("丫丫！！");
    }	
}
class Dog extends Animal{
    // 狗的叫声
    public void cry(){
        System.out.println("汪汪~");
    }
}

从上面的例子可以看出，多态的一个好处是：当子类比较多时，也不需要定义多个变量，可以只定义一个父类类型的变量来引用不同子类的实例。请再看下面的一个例子：

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public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        // 借助多态，主人可以给很多动物喂食
        Master ma = new Master();
        ma.feed(new Animal(), new Food());
        ma.feed(new Cat(), new Fish());
        ma.feed(new Dog(), new Bone());
    }
}
// Animal类及其子类
class Animal{
    public void eat(Food f){
        System.out.println("我是一个小动物，正在吃" + f.getFood());
    }
}
class Cat extends Animal{
    public void eat(Food f){
        System.out.println("我是一只小猫咪，正在吃" + f.getFood());
    }
}
class Dog extends Animal{
    public void eat(Food f){
        System.out.println("我是一只狗狗，正在吃" + f.getFood());
    }
}
// Food及其子类
class Food{
    public String getFood(){
        return "食物";
    }
}
class Fish extends Food{
    public String getFood(){
        return "鱼";
    }
}
class Bone extends Food{
    public String getFood(){
        return "骨头";
    }
}
// Master类
class Master{
    public void feed(Animal an, Food f){
        an.eat(f);
    }
}

运行结果：

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我是一个小动物，正在吃事物
我是一只小猫咪，正在吃鱼
我是一只狗狗，正在吃骨头

Master 类的 feed 方法有两个参数，分别是 Animal 类型和 Food 类型，因为是父类，所以可以将子类的实例传递给它，这样 Master 类就不需要多个方法来给不同的动物喂食。

二、动态绑定

为了理解多态的本质，下面讲一下Java调用方法的详细流程。

  • 1) 编译器查看对象的声明类型和方法名。

假设调用 obj.func(param)，obj 为 Cat 类的对象。需要注意的是，有可能存在多个名字为func但参数签名不一样的方法。例如，可能存在方法 func(int) 和 func(String)。编译器将会一一列举所有 Cat 类中名为func的方法和其父类 Animal 中访问属性为 public 且名为func的方法。

这样，编译器就获得了所有可能被调用的候选方法列表。

  • 2) 接下来，编泽器将检查调用方法时提供的参数签名。

如果在所有名为func的方法中存在一个与提供的参数签名完全匹配的方法，那么就选择这个方法。这个过程被称为重载解析(overloading resolution)。例如，如果调用 func(“hello”)，编译器会选择 func(String)，而不是 func(int)。由于自动类型转换的存在，例如 int 可以转换为 double，如果没有找到与调用方法参数签名相同的方法，就进行类型转换后再继续查找，如果最终没有匹配的类型或者有多个方法与之匹配，那么编译错误。

这样，编译器就获得了需要调用的方法名字和参数签名。

  • 3) 如果方法的修饰符是private、static、final（static和final将在后续讲解），或者是构造方法，那么编译器将可以准确地知道应该调用哪个方法，我们将这种调用方式 称为静态绑定(static binding)。

与此对应的是，调用的方法依赖于对象的实际类型， 并在运行时实现动态绑。例如调用 func(“hello”)，编泽器将采用动态绑定的方式生成一条调用 func(String) 的指令。

  • 4)当程序运行，并且釆用动态绑定调用方法时，JVM一定会调用与 obj 所引用对象的实际类型最合适的那个类的方法。我们已经假设 obj 的实际类型是 Cat，它是 Animal 的子类，如果 Cat 中定义了 func(String)，就调用它，否则将在 Animal 类及其父类中寻找。

每次调用方法都要进行搜索，时间开销相当大，因此，JVM预先为每个类创建了一个方法表(method lable)，其中列出了所有方法的名称、参数签名和所属的类。这样一来，在真正调用方法的时候，虚拟机仅查找这个表就行了。在上面的例子中，JVM 搜索 Cat 类的方法表，以便寻找与调用 func(“hello”) 相匹配的方法。这个方法既有可能是 Cat.func(String)，也有可能是 Animal.func(String)。注意，如果调用super.func(“hello”)，编译器将对父类的方法表迸行搜索。

假设 Animal 类包含cry()、getName()、getAge() 三个方法，那么它的方法表如下：

  • cry() -> Animal.cry()
  • getName() -> Animal.getName()
  • getAge() -> Animal.getAge()

实际上，Animal 也有默认的父类 Object（后续会讲解），会继承 Object 的方法，所以上面列举的方法并不完整。

假设 Cat 类覆盖了 Animal 类中的 cry() 方法，并且新增了一个方法 climbTree()，那么它的参数列表为：

  • cry() -> Cat.cry()
  • getName() -> Animal.getName()
  • getAge() -> Animal.getAge()
  • climbTree() -> Cat.climbTree()

在运行的时候，调用 obj.cry() 方法的过程如下：

  • JVM 首先访问 obj 的实际类型的方法表，可能是 Animal 类的方法表，也可能是 Cat 类及其子类的方法表。
  • JVM 在方法表中搜索与 cry() 匹配的方法，找到后，就知道它属于哪个类了。
  • JVM 调用该方法。

三、instanceof运算符

多态性带来了一个问题，就是如何判断一个变量所实际引用的对象的类型 。 C++使用runtime-type information(RTTI)，Java 使用 instanceof 操作符。instanceof 运算符用来判断一个变量所引用的对象的实际类型，注意是它引用的对象的类型，不是变量的类型。请看下面的代码：

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public final class Demo{
    public static void main(String[] args) {
        // 引用 People 类的实例
        People obj = new People();
        if(obj instanceof Object){
            System.out.println("我是一个对象");
        }
        if(obj instanceof People){
            System.out.println("我是人类");
        }
        if(obj instanceof Teacher){
            System.out.println("我是一名教师");
        }
        if(obj instanceof President){
            System.out.println("我是校长");
        }
        System.out.println("-----------");  // 分界线
       
        // 引用 Teacher 类的实例
        obj = new Teacher();
        if(obj instanceof Object){
            System.out.println("我是一个对象");
        }
        if(obj instanceof People){
            System.out.println("我是人类");
        }
        if(obj instanceof Teacher){
            System.out.println("我是一名教师");
        }
        if(obj instanceof President){
            System.out.println("我是校长");
        }
    }
}
class People{ }
class Teacher extends People{ }
class President extends Teacher{ }

运行结果：

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我是一个对象
我是人类
———–
我是一个对象
我是人类
我是一名教师

可以看出，如果变量引用的是当前类或它的子类的实例，instanceof 返回 true，否则返回 false。

四、多态对象的类型转换

这里所说的对象类型转换，是指存在继承关系的对象，不是任意类型的对象。当对不存在继承关系的对象进行强制类型转换时，java 运行时将抛出 java.lang.ClassCastException 异常。在继承链中，我们将子类向父类转换称为“向上转型”，将父类向子类转换称为“向下转型”。很多时候，我们会将变量定义为父类的类型，却引用子类的对象，这个过程就是向上转型。程序运行时通过动态绑定来实现对子类方法的调用，也就是多态性。

然而有些时候为了完成某些父类没有的功能，我们需要将向上转型后的子类对象再转成子类，调用子类的方法，这就是向下转型。

注意：不能直接将父类的对象强制转换为子类类型，只能将向上转型后的子类对象再次转换为子类类型。也就是说，子类对象必须向上转型后，才能再向下转型。请看下面的代码：

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class Demo {
    public static void main(String args[]) {
        SuperClass superObj = new SuperClass();
        SonClass sonObj = new SonClass();
        // 下面的代码运行时会抛出异常，不能将父类对象直接转换为子类类型
        // SonClass sonObj2 = (SonClass)superObj;
        // 先向上转型，再向下转型
        superObj = sonObj;
        SonClass sonObj1 = (SonClass)superObj;
    }
}
class SuperClass{ }
class SonClass extends SuperClass{ }

将第7行的注释去掉，运行时会抛出异常，但是编译可以通过。

因为向下转型存在风险，所以在接收到父类的一个引用时，请务必使用 instanceof 运算符来判断该对象是否是你所要的子类，请看下面的代码：

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public class Demo {
    public static void main(String args[]) {
        SuperClass superObj = new SuperClass();
        SonClass sonObj = new SonClass();
        // superObj 不是 SonClass 类的实例
        if(superObj instanceof SonClass){
            SonClass sonObj1 = (SonClass)superObj;
        }else{
            System.out.println("①不能转换");
        }
        superObj = sonObj;
        // superObj 是 SonClass 类的实例
        if(superObj instanceof SonClass){
            SonClass sonObj2 = (SonClass)superObj;
        }else{
            System.out.println("②不能转换");
        }
    }
}
class SuperClass{ }
class SonClass extends SuperClass{ }

运行结果：
①不能转换

总结：对象的类型转换在程序运行时检查，向上转型会自动进行，向下转型的对象必须是当前引用类型的子类。



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