Java的多态（深入版）

Posted 2023-01-16 是Cc哈

Java 中的继承和多态（深⼊版）

⾯向对象的三⼤特性：封装、继承、多态。在这三个特性中，如果没有封装和继承，也不会有多态。

那么多态实现的途径和必要条件是什么呢？以及 多态中的重写和重载在JVM中的表现是怎么样？在Java中是如何展现继承的特性呢？对于⼦类继承于⽗类时，⼜有什么限制呢？本⽂系基础，深⼊浅出过⼀遍 Java 中的多态和继承。

多态
多态是同⼀个⾏为具有多个不同表现形式或形态的能⼒。

举个栗⼦，⼀只鸡可以做成⽩切鸡、豉油鸡、吊烧鸡、茶油鸡、盐焗鸡、葱油鸡、⼿撕鸡、清蒸鸡、叫花鸡、啤酒鸡、⼝⽔鸡、⾹菇滑鸡、盐⽔鸡、啫啫滑鸡、鸡公煲等等。

多态实现的必要条件

⽤上⾯的“鸡的⼗⼋种吃法“来举个栗⼦。
⾸先，我们先给出⼀只鸡：

class  Chicken
  public  void  live()
    System. out.println("这是⼀只鸡");
  

1. ⼦类必须继承⽗类

对于⼦类必须继承⽗类，⼩编个⼈认为，是因为按照⾯向对象的五⼤基本原则所说的中的依赖倒置原则：
抽象不依赖于具体，具体依赖于抽象。
既然要实现多态，那么必定有⼀个作为"抽象"类来定义“⾏为”，以及若⼲个作为"具体"类来呈现不同的⾏为形
式或形态。

所以我们给出的⼀个具体类——⽩切鸡类：

class  BaiqieChicken  extends  Chicken 

但仅是定义⼀个⽩切鸡类是不够的，因为在此我们只能做到复⽤⽗类的属性和⾏为，⽽ 没有呈现出⾏为上的不同的形式或形态。

2. 必须有重写

重写，简单地理解就是 重新定义的⽗类⽅法，使得⽗类和⼦类对同⼀⾏为的表现形式各不相同。我们⽤⽩切鸡类来举个栗⼦。

class  BaiqieChicken  extends  Chicken
   public  void  live()
      System.out.println("这是⼀只会被做成⽩切鸡的鸡");
  

这样就实现了重写，鸡类跟⽩切鸡类在live()⽅法中定义的⾏为不同，鸡类是⼀只命运有着⽆限可能的鸡，⽽⽩切鸡类的命运就是
做成⼀只⽩切鸡。

但是为什么还要有“⽗类引⽤指向⼦类对象”这个条件呢？

3. ⽗类引⽤指向⼦类对象

其实这个条件是⾯向对象的五⼤基本原则⾥⾯的⾥⽒替换原则，简单说就是⽗类可以引⽤⼦类，但不能反过来。
当⼀只鸡被选择做⽩切鸡的时候，它的命运就不是它能掌控的。

Chicken c = new BaiqieChicken();
c.live();

运⾏结果：
这是⼀只会被做成⽩切鸡的鸡

为什么要有这个原则？因为⽗类对于⼦类来说，是属于“抽象”的层⾯，⼦类是“具体”的层⾯。“抽象”可以提供接⼝给“具体”实现，但是“具体”凭什么来引⽤“抽象”呢？⽽且“⼦类引⽤指向⽗类对象”是不符合“依赖倒置原则”的。

当⼀只⽩切鸡想回头重新选择⾃⼰的命运，抱歉，它已经在锅⾥，逃不出去了。

BaiqieChicken bc = new Chicken();
bc.live();

多态的实现途径

多态的实现途径有三种：重写、重载、接⼝实现，虽然它们的实现⽅式不⼀样，但是核⼼都是： 同⼀⾏为的不同表现形式。

1. 重写

重写，指的是⼦类对⽗类⽅法的重新定义，但是⼦类⽅法的参数列表和返回值类型，必须与⽗类⽅法⼀致！所以可以简单的理
解，重写就是⼦类对⽗类⽅法的核⼼进⾏重新定义。

举个栗⼦：

class  Chicken
    public  void  live(String lastword)
        System. out.println(lastword);
    

class  BaiqieChicken  extends  Chicken
	public  void  live(String lastword)
		System. out.println("这只⽩切鸡说：");
		System. out.println(lastword);
	

这⾥⽩切鸡类重写了鸡类的live()⽅法，为什么说是重写呢？因为⽩切鸡类中live()⽅法的参数列表和返回值与⽗类⼀样，但⽅法体不⼀样了。

2. 重载

重载，指的是在⼀个类中有若⼲个 ⽅法名相同，但参数列表不同的情况，返回值可以相同也可以不同的⽅法定义场景。也可以简单理解成，同⼀⾏为（⽅法）的不同表现形式。

举个栗⼦：

class  BaiqieChicken  extends  Chicken
	public  void  live()
		System. out.println("这是⼀只会被做成⽩切鸡的鸡");
	
	public  void  live(String lastword)
		System. out.println("这只⽩切鸡说：");
		System. out.println(lastword);
	

这⾥的⽩切鸡类中的两个live()⽅法，⼀个⽆参⼀个有参，它们对于⽩切鸡类的live()⽅法的描述各不相同，但它们的⽅法名都是live。通俗讲，它们对于⽩切鸡鸡⽣的表现形式不同。

3. 接⼝实现

接⼝，是⼀种⽆法被实例化，但可以被实现的抽象类型，是抽象⽅法的集合，多⽤作定义⽅法集合，⽽⽅法的具体实现则交给继
承接⼝的具体类来定义。所以， 接⼝定义⽅法，⽅法的实现在继承接⼝的具体类中定义，也是对同⼀⾏为的不同表现形式。

interface  Chicken
	public  void  live();

class  BaiqieChicken  implements  Chicken
	public  void  live()
		System.out.println("这是⼀只会被做成⽩切鸡的鸡");
	

class  ShousiChicken  implements  Chicken
	public  void  live()
		System.out.println("这是⼀只会被做成⼿撕鸡的鸡");
	

从上⾯我们可以看到，对于鸡接⼝中的live()⽅法，⽩切鸡类和⼿撕鸡类都有⾃⼰对这个⽅法的独特的定义。

在虚拟机中多态如何表现

前⽂我们知道，java⽂件在经过javac编译后，⽣成class⽂件之后在JVM中再进⾏编译后⽣成对应平台的机器码。⽽JVM的编译过程中体现多态的过程，在于选择出正确的⽅法执⾏，这⼀过程称为⽅法调⽤。

⽅法调⽤的唯⼀任务是确定被调⽤⽅法的版本，暂时还不涉及⽅法内部的具体运⾏过程。（注：⽅法调⽤不等于⽅法执⾏）

在介绍多态的重载和重写在JVM的实现之前，我们先简单了解JVM提供的5条⽅法调⽤字节码指令：

invokestatic：调⽤静态⽅法。
invokespecial：调⽤实例构造器⽅法、私有⽅法和⽗类⽅法。
invokevirtual：调⽤所有的虚⽅法（这⾥的虚⽅法泛指除了invokestatic、invokespecial指令调⽤的⽅法，以及final⽅法）。
invokeinterface：调⽤接⼝⽅法，会在运⾏时再确定⼀个实现此接⼝的对象。
invokedynamic：先在运⾏时动态解析出调⽤点限定符所应⽤的⽅法（说⼈话就是⽤于动态指定运⾏的⽅法）。⽽⽅法调⽤过程中，在编译期就能确定下来调⽤⽅法版本的 静态⽅法、实例构造器⽅法、私有⽅法、⽗类⽅法和final⽅法（虽是由invokevirtual指令调⽤）在编译期就已经完成了运⾏⽅法版本的确定，这是⼀个静态的过程，也称为 解析调⽤。⽽ 分派调⽤则有可能是静态的也可能是动态的，可能会在编译期发⽣或者运⾏期才确定运⾏⽅法的版本。⽽分派调⽤的过程与多态的实现有着紧密联系，所以我们先了解⼀下两个概念：

静态分派：所有依赖静态类型来定位⽅法执⾏版本的分派动作。
动态分派：根据运⾏期实际类型来定位⽅法执⾏版本的分派动作。

1. 重载

我们先看看这个例⼦：

public  class  StaticDispatch 
	static  abstract  class  Human 
	static  class  Man  extends  Human
	static  class  Woman  extends  Human
	public  void  sayHello(Human guy)
		System.out.println("hello, guy!");
	
	public  void  sayHello(Man guy)
		System.out.println("hello, gentleman!");
	
	public  void  sayHello(Woman guy)
		System.out.println("hello, lady!");
	
	public  static  void  main(String[] args)
		Human man =  new Man();
		Human woman =  new Woman();
		StaticDispatch sr =  new StaticDispatch();
		sr.sayHello(man);
		sr.sayHello(woman);
	

想想以上代码的运⾏结果是什么？3，2，1，运⾏结果如下：

hello, guy!
hello, guy!

为什么会出现这样的结果？让我们来看这⾏代码：

Human man = new Man();

根据⾥⽒替换原则，⼦类必须能够替换其基类，也就是说⼦类相对于⽗类是“具体类”，⽽⽗类是处于“奠定”⼦类的基本功能的地位。所以，我们把上⾯代码中的“Human”称为变量man的型 静态类型（Static Type），⽽后⾯的"Man"称为变量的 实际类型 型（Actual Type），⼆者的区别在于， 静态类型是在编译期可知的；⽽实际类型的结果在运⾏期才能确定，编译期在编译序时并不知道⼀个对象的实际类型是什么。

在了解了这两个概念之后，我们来看看字节码⽂件是怎么说的：

javac - verbose StaticDispatch.class

我们看到，图中的⻩⾊框的invokespecial指令以及标签，我们可以知道这三个是指令是在调⽤实例构造器⽅法。同理，下⾯两个红⾊框的invokevirtual指令告诉我们，这⾥是采⽤分派调⽤的调⽤虚⽅法，⽽且⼊参都是“Human”。

因为在分派调⽤的时候，使⽤哪个重载版本完全取决于传⼊参数的数量和数据类型。⽽且， 虚拟机（准确说是编译期）在重载时是通过参数的静态类型⽽不是实际类型作为判断依据，并且静态类型是编译期可知的。

所以， 在编译阶段，Javac编译期就会根据参数的静态类型决定使⽤哪个重载版本。重载是静态分派的经典应⽤。

2. 重写

我们还是⽤上⾯的例⼦：

public  class  StaticDispatch 
	static  abstract  class  Human
	protected  abstract  void  sayHello();
	
	static  class  Man  extends  Human
		@Override
		protected  void  sayHello() 
			System.out.println("man say hello");
		
	
	static  class  Woman  extends  Human
		@Override
		protected  void  sayHello() 
			System.out.println("woman say hello");
		
	
	public  static  void  main(String[] args)
		Human man =  new Man();
		Human woman =  new Woman();
		man.sayHello();
		woman.sayHello();
	

其运⾏结果为：

man say hello
woman say hello

相信你看到这⾥也会会⼼⼀笑，这⼀看就很明显嘛，重写是按照实际类型来选择⽅法调⽤的版本嘛。先别急，我们来看看它的字节码：

嘶…这好像跟静态分派的字节码⼀样啊，但是从运⾏结果看，这两句指令最终执⾏的⽬⽅法并不相同啊，那原因就得从invokevirtual指令的多态查找过程开始找起。

我们来看看invokevirtual指令的运⾏时解析过程的步骤：

1. 找到操作数栈顶的第⼀个元素所指向的对象的 实际类型，记作C。
2. 如果在在类型C中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的⽅法，则进⾏访问权限校验，如果通过则返回这个⽅法的 直
   接引⽤，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
3. 否则，按照继承关系从下往上依次对 C的各个⽗类进⾏第2步的搜索和验证过程。
4. 如果始终没有找到合适的⽅法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

我们可以看到，由于invokevirtual指令在执⾏的第⼀步就是 在运⾏期确定接收者的实际类型，所以字节码中会出现invokevirtual指令把常量池中的类⽅法符号引⽤解析到了不同的直接引⽤上，这个就是Java重写的本质。

总结⼀下， 重载的本质是 在编译期就会根据参数的静态类型来决定重载⽅法的版本，⽽ 重写的本质 在运⾏期确定接收者的实类型。

继承

假如我们有两个类：⽣物类、猫类。

⽣物类：

class  Animal
	private String name;
	public  void  setName(String name)
		this.name = name;
	
	public String  getName()
		return  this.name;
	

猫类：

class Cat
	private String name;
	private String sound;
	public void setName(String name)
		this.name = name;
	
	public void setSound(String sound)
		this.sound = sound;
	
	public String getName()
		return  this.name;
	
	public String getSound()
		return  this.sound;
	

我们知道，猫也是属于⽣物中的⼀种，⽣物有的属性和⾏为，猫按理来说也是有的。但此时 没有继承的概念，那么代码就得不到复⽤，⻓期发展，代码冗余、维护困难且开发者的⼯作量也⾮常⼤。

继承的概念

继承就是⼦类继承⽗类的特征和⾏为，使得⼦类对象（实例）具有⽗类的实例域和⽅法，或⼦类从⽗类继承⽅法，使得⼦类具有⽗类相同的⾏为。

简单来说，⼦类能吸收⽗类已有的属性和⾏为。除此之外，⼦类还可以扩展⾃⾝功能。⼦类⼜被称为派⽣类，⽗类被称为超类。在 Java中，如果要实现继承的关系，可以使⽤如下语法：

class ⼦类 extends ⽗类

继承的基本实现

继承的基本实现如下：

class  Animal
	private String name;
	public  void  setName(String name)
		this.name = name;
	
	public String  getName()
		return  this.name;
	

class  Cat  extends  Animal
	public  class  Test
	public  static  void  main(String[] args)
		Cat cat =  new Cat();
		cat.setName("猫");
		System.out.println(cat.getName());
	

运⾏结果为：

猫

我们可以看出， ⼦类可以在不扩展操作的情况下，使⽤⽗类的属性和功能。

⼦类扩充⽗类

继承的基本实现如下：

class  Animal
	private String name;
	public  void  setName(String name)
		this.name = name;
	
	public String  getName()
		return  this.name;
	

class  Cat  extends  Animal
	private String sound;
	public  void  setSound(String sound)
		this.sound = sound;
	
	public String  getSound()
		return  this.sound;
	

public  class  Test
	public  static  void  main(String[] args)
		Cat cat =  new Cat();
		cat.setName("NYfor2020")
		cat.setSound("我不是你最爱的⼩甜甜了吗？");
		System.out.println(cat.getName()+":"+cat.getSound());
	

运⾏结果为：

NYfor2020:我不是你最爱的⼩甜甜了吗？

我们可以看出，⼦类在⽗类的基础上进⾏了扩展，⽽且对于⽗类来说，⼦类定义的范围更为具体。也就是说， ⼦类是将⽗类具体化的⼀种⼿段。

总结⼀下，Java中的继承利⽤⼦类和⽗类的关系， 可以实现代码复⽤，⼦类还可以根据需求扩展功能。

继承的限制

1. ⼦类只能继承⼀个⽗类

为什么⼦类不能多继承？举个栗⼦.

class  ACat
	public  void  mewo()...

class  BCat
	public  void  mewo()...

class  CCat  extends  ACat,  BCat
	@Override
	public  void  mewo()...?  //提问：这⾥的mewo()是继承⾃哪个类？

虽说Java只⽀持单继承，但是 不反对多层继承呀！

class  ACat
class  BCat  extends  ACat
class  CCat  extends  BCat

这样，BCat就继承了ACat所有的⽅法，⽽CCat继承了ACat、BCat所有的⽅法，实际上CCat是ACat的⼦（孙）类，是BCat的⼦类。

总结⼀下， ⼦类虽然不⽀持多重继承，只能单继承，但是可以多层继承。

2. private修饰不可直接访问，final修饰不可修改

private修饰

对于⼦类来说，⽗类中⽤ private修饰的属性对其隐藏的，但如果提供了这个变量的 setter/getter接⼝，还是能够访问和修改这
个变量的。

class  ACat 
	private String sound = "meow";
	public String  getSound() 
		return sound;
	
	public  void  setSound(String sound) 
		this.sound = sound;
	

class  BCat  extends  ACat 

public  class  Test 
	public  static  void  main(String[] args) 
		BCat b =  new BCat();
		b.setSound("我不是你最爱的⼩甜甜了吗？");
		System.out.println(b.getSound());
	

final修饰

⽗类已经定义好的 final修饰变量（⽅法也⼀样）， ⼦类可以访问这个属性（或⽅法），但是不能对其进⾏更改。

class  ACat 
	final String sound = "你是我最爱的⼩甜甜";
	public String  getSound() 
		return sound;
	
	public  void  setSound(String sound)
		this.sound = sound;  //这句执⾏不了，会报错的
	

class  BCat  extends  ACat 

总结⼀下， ⽤private修饰的变量可以通过getter/setter接⼝来操作，final修饰的变量就只能访问，不能更改。

3. 实例化⼦类时默认先调⽤⽗类的构造⽅法

在实例化⼦类对象时，会调⽤⽗类的构造⽅法对属性进⾏初始化，之后再调⽤⼦类的构造⽅法。

class A A 
	public A A()
		System. out.println("我不是你最爱的⼩甜甜了吗？");
	
	public A A(String q)
		System. out.println(q);
	

class B B  extends A A 
	public B B()
		System. out.println("你是个好姑娘");
	

	public  class  Test 
		public  static  void  main(String[] args) 
		B b =  new B();
	

运⾏结果为：

我不是你最爱的⼩甜甜了吗？
你是个好姑娘

从结果我们可以知道，在实例化⼦类时，会 默认先调⽤⽗类中⽆参构造⽅法，然后再调动⼦类的构造⽅法。

那么怎么调⽤⽗类带参的构造⽅法呢？只要在⼦类构造⽅法的第⼀⾏调⽤super()⽅法就好。

class A A 
	public A A(String q)
		System.out.println(q);
	

class B B  extends A A 
	public B B()
		super("我是你的⼩甜甜？");
		System.out.println("你是个好姑娘");
	

public  class  Test 
	public  static  void  main(String[] args) 
		B b =  new B();
	

运⾏结果为：

我是你的⼩甜甜？
你是个好姑娘

在⼦类实例化时，默认调⽤的是⽗类的⽆参构造⽅法，⽽如果没有⽗类⽆参构造⽅法，则 ⼦类必须通过super()来调⽤⽗类的有参构造⽅法，且 super()⽅法必须在⼦类构造⽅法的⾸⾏。

总结⼀下，Java继承中有三种继承限制，分别是⼦类只能单继承、⽗类中private修饰的变量不能显式访问和final修饰的变量不能改变，以及实例化⼦类必定会先调⽤⽗类的构造⽅法，之后才调⽤⼦类的构造⽅法。

类是怎么加载的？

（此处只是粗略介绍类加载的过程，想了解更多可参考《深⼊理解Java虚拟机》）

类加载过程包括三个⼤步骤： 加载、连接、初始化。

这三个步骤的开始时间仍然保持着固定的先后顺序，但是进⾏和完成的进度就不⼀定是这样的顺序了。

1. 加载：虚拟机通过这个 类的全限定名来获取这个 类的⼆进制字节流，然后在字节流中提取出这个 类的结构数据，并转换成 个类在⽅法区（存储类结构）的运⾏时数据结构；
2. 验证：先验证这 字节流是否符合Class⽂件格式的规范，然后检查 这个类的其⽗类中数据是否存在冲突（如这个类的⽗类是继承被final修饰的类），接着对 这个类内的⽅法体进⾏检查，如果都没问题了，那就把之前的 符号引⽤换成直接引⽤；
3. 准备：为 类变量（static修饰的变量） 分配内存（⽅法区）并 设置类变量初始值，⽽这⾥的初始值是指这个数据类型的值，如int的初始值是0；
4. 解析：在Class⽂件加载过程中，会将Class⽂件中的标识⽅法、接⼝的常量放进常量池中，⽽这些常量对于虚拟机来说，就是符号引⽤。此阶段就是针对类、接⼝、字段等7类符号引⽤， 转换成直接指向⽬标的句柄——直接引⽤。
5. 初始化：这阶段是 执⾏static代码块和类构造器的过程，有⼩伙伴可能会疑惑类构造器不是默认static的吗？详情请看这个博客:https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/10651845.html

总结⼀下，类加载的过程中，⾸先会对Class⽂件中的类提取并转换成运⾏时数据结构，然后对类的⽗类和这个类的数据信息进⾏检验之后，为类中的类变量分配内存并且设置初始值，接着将Class⽂件中与这个类有关的符号引⽤转换成直接引⽤，最后再执⾏
类构造器。⽽且我们可以从第⼆步看出，在加载类的时候，会先去检查这个类的⽗类的信息，然后再检查这个类的⽅法体，也就是说， 在加载类的时候，会先去加载它的⽗类。

参考资料：

加粗样式Java多态性理解

https://www.cnblogs.com/jack204/archive/2012/10/29/2745150.html

从虚拟机指令执⾏的⻆度分析JAVA中多态的实现原理

https://www.cnblogs.com/hapjin/p/9248525.html

《深⼊理解Java虚拟机》

https://blog.csdn.net/wei_zhi/article/details/52780026

本篇博客转载自：https://blog.csdn.net/NYfor2017/article/details/104704516