【Java】面向对象：继承、组合和多态

偏执的太偏执、 2023-09-28 19:35 22阅读 0赞

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✨**系列专栏:**[**【Java SE】**][Java SE]  
✨**一句短话:** **难在坚持,贵在坚持,成在坚持!**

#### 文章目录 ####

*  一. 面向对象三大特性之继承
 *   *  1. 继承的概念
     *  2. 继承的语法
     *  3. 父类成员的访问
     *   *  3.1 子类中访问父类的成员变量
         *  3.2 子类中访问父类的成员方法
     *  4. protected 的使用场景
     *  5. 继承方式
     *  6. final 关键字
     *  7. 继承与组合
 *  二. 面向对象三大特性之多态
 *   *  1. 多态的概念
     *  2. 重写
     *  3. 向上转型和向下转型
     *   *  3.1 向上转型
         *  3.2 向下转型
     *  4. 多态实现条件
     *  5. 多态的优缺点
     *   *  5.1 使用多态好处
         *  5.2 多态的缺陷

## 一. 面向对象三大特性之继承 ##

### 1. 继承的概念 ###

**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(子类)。

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：共性的抽取，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

![img][]

上述图示中，Dog和Cat都继承了Animal类，其中：Animal类称为父类/基类/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。

### 2. 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 {
        
    // ...
    }

此时将 **1** 中的设计思想使用代码实现：

// Animal.java
    public class Animal{
        
        String name;
        int age;
        public void eat(){
        
            System.out.println(name + "正在吃饭");
        }
        public void sleep(){
        
            System.out.println(name + "正在睡觉");
        }
    }
    
    // Dog.java
    public class Dog extends Animal{
        
        void bark(){
        
            System.out.println(name + "汪汪汪~~~");
        }
    }
    
    // Cat.Java
    public class Cat extends Animal{
        
        void mew(){
        
            System.out.println(name + "喵喵喵~~~");
        }
    }
    
    // TestExtend.java
    public class TestExtend {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Dog dog = new Dog();
            // dog类中并没有定义任何成员变量，
            //name和age属性是从父类Animal中继承下来的
            System.out.println(dog.name);
            System.out.println(dog.age);
            //dog访问的eat()和sleep()方法也是从Animal中继承下来的
            dog.eat();
            dog.sleep();
            dog.bark();
        }
    }

**注意：**

1.  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
2.  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

### 3. 父类成员的访问 ###

#### 3.1 子类中访问父类的成员变量 ####

1.  子类和父类不存在同名成员变量

public class Base {
        
        int a;
        int b;
    }
    
    public class Derived extends Base{
        
        int c;
        public void method(){
        
            a = 10; // 访问从父类中继承下来的a
            b = 20; // 访问从父类中继承下来的b
            c = 30; // 访问子类自己的c
        }
    }

1.  子类和父类成员变量同名

public class Base {
        
        int a;
        int b;
        int c;
    }
    
    public class Derived extends Base{
        
        int a; // 与父类中成员a同名，且类型相同
        char b; // 与父类中成员b同名，但类型不同
        public void method(){
        
            a = 100; // 访问子类自己新增的a
            b = 101; // 访问子类自己新增的b
            c = 102; // 子类没有c，访问从父类继承下来的c
            // d = 103; // 编译失败，因为父类和子类都没有定义成员变量d
        }
    }

**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**

#### 3.2 子类中访问父类的成员方法 ####

1.  父类和子类的成员方法**名字不同**

public class Base {
        
        public void methodA(){
        
            System.out.println("Base中的methodA()");
        }
    }
    
    public class Derived extends Base{
        
        public void methodB(){
        
            System.out.println("Derived中的methodB()方法");
        }
        public void methodC(){
        
            methodB(); // 访问子类自己的methodB()
            methodA(); // 访问父类继承的methodA()
            // methodD(); // 编译失败，在整个继承体系中没有发现方法methodD()
        }
    }

1.  父类和子类的成员方法**名字相同**

public class Base {
        
        int a;
        int b;
        public void methodA(){
        
            System.out.println("Base中的methodA()");
        }
        public void methodB(){
        
            System.out.println("Base中的methodB()");
        }
    }
    
    public class Derived extends Base{
        
        public void methodA(int a) {
        
            System.out.println("Derived中的method(int)方法");
        }
        public void methodB(){
        
            System.out.println("Derived中的methodB()方法");
        }
        public void methodC(){
        
            methodA(); // 没有传参，访问父类中的methodA()
            methodA(20); // 传递int参数，访问子类中的methodA(int)
            methodB(); // 直接访问，则永远访问到的都是子类中的methodB()，基类的无法访问到
        }
    }

【总结】：

*  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，如果父类中也没有则编译报错。
 *  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。
 *  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、返回值都相同**，则遵循就近原则，直接访问子类中的方法，不会访问父类中的方法。

### 4. protected 的使用场景 ###

![img][img 1]

结合下面代码理解父类中不同访问权限的成员在子类中的可见性：

注意：**如果和子类在不同包中，父类中的成员被protected修饰，那么子类的成员方法中要想访问父类中的成员必须通过super关键字来访问**；父类中private成员变量虽然在子类中不能直接访问，但是也继承到子类中了

// extend01包中
    public class B {
        
        private int a;
        protected int b;
        public int c;
        int d;
    } 
    
    // extend01包中
    // 同一个包中的子类
    public class D extends B{
        
        public void method(){
        
         // super.a = 10; // 编译报错，父类private成员在相同包子类中不可见
            super.b = 20; // 父类中protected成员在相同包子类中可以直接访问
            super.c = 30; // 父类中public成员在相同包子类中可以直接访问
            super.d = 40; // 父类中默认访问权限修饰的成员在相同包子类中可以直接访问
        }
    } 
    
    // extend02包中
    // 不同包中的子类
    public class C extends B {
        
        public void method(){
        
          //super.a = 10; // 编译报错，父类中private成员在不同包子类中不可见
            super.b = 20; // 父类中protected修饰的成员在不同包子类中可以直接访问
            super.c = 30; // 父类中public修饰的成员在不同包子类中可以直接访问
          //super.d = 40; // 父类中默认访问权限修饰的成员在不同包子类中不能直接访问
        }
    } 
    
    // extend02包中
    // 不同包中的类
    public class TestC {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            C c = new C();
            c.method();
    // System.out.println(c.a); // 编译报错，父类中private成员在不同包其他类中不可见
    // System.out.println(c.b); // 父类中protected成员在不同包其他类中不能直接访问
            System.out.println(c.c); // 父类中public成员在不同包其他类中可以直接访问
    // System.out.println(c.d); // 父类中默认访问权限修饰的成员在不同包其他类中不能直接访问
        }
    }

### 5. 继承方式 ###

但在Java中只支持以下几种继承方式：  
![img][img 2]

**注意：Java中不支持多继承，且一般我们不希望出现超过三层的继承关系。**

### 6. final 关键字 ###

final关键可以用来修饰变量、成员方法以及类。

1.  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,这里a是常量，不可以被修改

1.  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

观察 String 字符串类的源码， 默认就是用 final 修饰的, 不能被继承.

![img][img 3]

1.  修饰方法：final修饰的方法叫做密封方法，不能被重写。

### 7. 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。

## 二. 面向对象三大特性之多态 ##

### 1. 多态的概念 ###

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；\*\*同一件事情，发生在不同对象身上，就会产生不同的结果。  
![img][img 4]

### 2. 重写 ###

重写(override)：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**】

*  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
 *  被重写的方法返回值类型可以不同，但是必须是具有父子关系的
 *  访问权限不能比父类中被重写的方法的访问权限更低。例如：如果父类方法被public修饰，则子类中重写该方法就不能声明为 protected
 *  父类被static、private、final修饰的方法，构造方法都不能被重写。
 *  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

**【重写和重载的区别】**

方法重载是一个类的多态性表现,而方法重写是子类与父类的一种多态性表现

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>区别点</th> 
   <th>重写(override)</th> 
   <th>重载(override)</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>参数列表</td> 
   <td>绝对不可以修改</td> 
   <td>必须修改</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>返回类型</td> 
   <td>不可以修改【除非可以构成父子类关系】</td> 
   <td>可以修改</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>访问限定符</td> 
   <td>不能比父类中被重写的方法的访问权限更低</td> 
   <td>可以修改</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![img][img 5]

【**重写的设计原则**】  
对于已经投入使用的类，尽量不要进行修改。最好的方式是：重新定义一个新的类，来重复利用其中共性的内容，并且添加或者改动新的内容。

**静态绑定**: 也称为前期绑定(早绑定)，即在编译时，根据用户所传递实参类型就确定了具体调用那个方法。典型代表函数重载。

**动态绑定**: 也称为后期绑定(晚绑定)，即在编译时，不能确定方法的行为，需要等到程序运行时，才能够确定具体调用那个类的方法。 这也是多态的特征。

### 3. 向上转型和向下转型 ###

#### 3.1 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。
    Animal animal = new Cat("元宝",2);

【**使用场景**】

1.  直接赋值
2.  方法传参
3.  方法返回

public class TestAnimal {
        
    // 2. 方法传参：形参为父类型引用，可以接收任意子类的对象
        public static void eatFood(Animal a){
        
            a.eat();
        }
    
        // 3. 作返回值：返回任意子类对象
        public static Animal buyAnimal(String var){
        
            if("狗" == var){
        
                return new Dog("狗狗",1);
            }else if("猫" == var){
        
                return new Cat("猫猫", 1);
            }else{
        
                return null;
            }
        }
        public static void main(String[] args) {
        
            Animal cat = new Cat("元宝",2);
        // 1. 直接赋值：子类对象赋值给父类对象
            Dog dog = new Dog("小七", 1);
            eatFood(cat);
            eatFood(dog);
            Animal animal = buyAnimal("狗");
            animal.eat();
            animal = buyAnimal("猫");
            animal.eat();
        }
    }
    
    public class Animal{
        
        String name;
        int age;
        public void eat(){
        
            System.out.println(name + "正在吃饭");
        }
        public void sleep(){
        
            System.out.println(name + "正在睡觉");
        }
    }
    
    // Dog.java
    public class Dog extends Animal{
        
        void bark(){
        
            System.out.println(name + "汪汪汪~~~");
        }
    }
    
    // Cat.Java
    public class Cat extends Animal{
        
        void mew(){
        
            System.out.println(name + "喵喵喵~~~");
        }
    }

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。

#### 3.2 向下转型 ####

将一个子类对象经过向上转型之后当成父类方法使用，再无法调用子类的方法，但有时候可能需要调用子类特有的方法，此时：将父类引用再还原为子类对象即可，即向下转型

public class TestAnimal {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Cat cat = new Cat("元宝",2);
            Dog dog = new Dog("小七", 1);
            
            // 向上转型
            Animal animal = cat;
            animal.eat();
            animal = dog;
            animal.eat();
            
            // 编译失败，编译时编译器将animal当成Animal对象处理
            // 而Animal类中没有bark方法，因此编译失败
            // animal.bark();
            
            // 向上转型
            // 程序可以通过编程，但运行时抛出异常---因为：animal实际指向的是狗
            // 现在要强制还原为猫，无法正常还原，运行时抛出：ClstException
            cat = (Cat)animal;
            cat.mew();
            
            // animal本来指向的就是狗，因此将animal还原为狗也是安全的
            dog = (Dog)animal;
            dog.bark();
        }
    }

向下转型用的比较少，而且不安全，万一转换失败，运行时就会抛异常。Java中为了提高向下转型的安全性，引入了 `instanceof`，如果该表达式为true，则可以安全转换。

**instanceof 是 Java 的保留关键字。它的作用是测试它左边的对象是否是它右边的类的实例，返回 boolean 的数据类型。**

### 4. 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：

1.  必须在继承体系下
2.  子类必须要对父类中方法进行重写
3.  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。

**实现多态的实例：**

public class Animal {
        
        String name;
        int age;
        public Animal(String name, int age){
        
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
        public void eat(){
        
            System.out.println(name + "吃饭");
        }
    }
    public class Cat extends Animal{
        
        public Cat(String name, int age){
        
            super(name, age);
        } 
        @Override
        public void eat(){
        
            System.out.println(name+"吃鱼~~~");
        }
    }
    public class Dog extends Animal {
        
        public Dog(String name, int age){
        
            super(name, age);
        } 
        @Override
        public void eat(){
        
            System.out.println(name+"吃骨头~~~");
        }
    }
    
    ///分割线//
    
    public class TestAnimal {
        
    // 编译器在编译代码时，并不知道要调用Dog 还是 Cat 中eat的方法
    // 等程序运行起来后，形参a引用的具体对象确定后，才知道调用那个方法
    // 注意：此处的形参类型必须时父类类型才可以
        public static void eat(Animal a){
        
            a.eat();
        }
        public static void main(String[] args) {
        
            Cat cat = new Cat("元宝",2);
            Dog dog = new Dog("小七", 1);
            eat(cat);
            eat(dog);
        }
    }

执行结果：  
![在这里插入图片描述][17213cbe1efd49f8a16dcf850a628852.png]  
在上述代码中, 分割线上方的代码是 **类的实现者** 编写的, 分割线下方的代码是 **类的调用者(调用类中的方法)** 编写的。  
当类的调用者在编写 eat 这个方法的时候, 参数类型为 Animal (父类), 此时在该方法内部并**不知道**, **也不关注**当前的 a 引用指向的是哪个类型(哪个子类)的实例. 此时 a这个引用调用 eat方法可能会有多种不同的表现(和 a 引用的实例相关), 这种行为就称为 **多态**.  
![img][img 6]

### 5. 多态的优缺点 ###

#### 5.1 使用多态好处 ####

1.  **能够降低代码的 “圈复杂度”, 避免使用大量的 if - else**

圈复杂度是一种描述一段代码复杂程度的方式，计算一段代码中条件语句和循环语句出现的个数, 这个个数就称为 “圈复杂度”；如果一个方法的圈复杂度太高, 就需要考虑重构，不同公司对于代码的圈复杂度的规范不一样. 一般不会超过 10 。  
例如要打印多个形状， 如果不基于多态, 实现代码如下:

public class Test{
        
        public static void drawShapes() {
        
            Rect rect = new Rect();
            Cycle cycle = new Cycle();
            Flower flower = new Flower();
            String[] shapes = {
        "cycle", "rect", "cycle", "rect", "flower"};
            for (String shape : shapes) {
        
                if (shape.equals("cycle")) {
        
                    cycle.draw();
                } else if (shape.equals("rect")) {
        
                    rect.draw();
                } else if (shape.equals("flower")) {
        
                    flower.draw();
                }
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            drawShapes();
        }
    }
    
    class Shape {
        
        //属性....
        public void draw() {
        
            System.out.println("画图形！");
        }
    }
    class Rect extends Shape{
        
        @Override
        public void draw() {
        
            System.out.println("♦");
        }
    }
    class Cycle extends Shape{
        
        @Override
        public void draw() {
        
            System.out.println("●");
        }
    }
    
    class Flower extends Shape{
        
        @Override
        public void draw() {
        
            System.out.println("❀");
        }
    }

如果使用使用多态, 则不必写这么多的 if - else 分支语句, 代码更简单

public static void drawShapes() {
        
        // 我们创建了一个 Shape 对象的数组.
            Shape[] shapes = {
        
                    new Cycle(),
                    new Rect(),
                    new Cycle(),
                    new Rect(),
                    new Flower()
            };
    
            for (Shape shape : shapes) {
        
                shape.draw();
            }
    }

1.  **可扩展能力更强**

如果要新增一种新的形状, 使用多态的方式代码改动成本也比较低.

对于类的调用者来说(drawShapes方法), 只要创建一个新类的实例就可以了, 改动成本很低；而对于不用多态的情况, 就要把 drawShapes 中的 if - else 进行一定的修改, 改动成本更高。

class Triangle extends Shape {
        
        @Override
        public void draw() {
        
            System.out.println("△");
        }
    }

#### 5.2 多态的缺陷 ####

1.  代码的运行效率降低
2.  属性没有多态性，当父类和子类都有同名属性的时候，通过父类引用，只能引用父类自己的成员属性 。
3.  构造方法没有多态性 。

[CSDN21]: https://marketing.csdn.net/p/bdabfb52c5d56532133df2adc1a728fd
[078b66f87e3c4e309d7f34d79c5776c4.gif_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/078b66f87e3c4e309d7f34d79c5776c4.gif#pic_center
[_XIN-XIANG]: https://blog.csdn.net/Trong_?spm=1000.2115.3001.5343
[Java SE]: https://blog.csdn.net/trong_/category_11933690.html?spm=1001.2014.3001.5482
[img]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/af5ed2d9e25f6e41f0cf3c521dcd15b4.png
[img 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/f8e22a9c3de10edae637f25d2b1b88b6.png
[img 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/47ac5f6122ddc8500e9f8d55a0b334f7.png
[img 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/0144153bb541f938a38345f809efd6b5.png
[img 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/57634a02e974e95202defabbc7bc3149.png
[img 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/477174f0a47404a4b680b7f39f54558d.png
[17213cbe1efd49f8a16dcf850a628852.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/17213cbe1efd49f8a16dcf850a628852.png
[img 6]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/bc9a39d9e62812739475e933ab7cddcb.png