计算机程序的思维逻辑 (16) - 继承的细节

Posted 2020-08-26 黄金时代1.0

上节我们介绍了继承和多态的基本概念，基本概念是比较简单的，子类继承父类，自动拥有父类的属性和行为，并可扩展属性和行为，同时，可重写父类的方法以修改行为。

但继承和多态概念还有一些相关的细节，本节就来探讨这些细节，具体包括：

• 构造方法
• 重名与静态绑定
• 重载和重写
• 父子类型转换
• 继承访问权限 (protected)
• 可见性重写
• 防止继承 (final)

下面我们逐个来解释。

构造方法

super

上节我们说过，子类可以通过super(...)调用父类的构造方法，如果子类没有通过super(...)调用，则会自动调动父类的默认构造方法，那如果父类没有默认构造方法呢？如下例所示：

public class Base {
    private String member;
    public Base(String member){
        this.member = member;
    }
}

这个类只有一个带参数的构造方法，没有默认构造方法。这个时候，它的任何子类都必须在构造方法中通过super(...)调用Base的带参数构造方法，如下所示，否则，Java会提示编译错误。

public class Child extends Base {
    public Child(String member) {
        super(member);
    }
}

构造方法调用重写方法

如果在父类构造方法中调用了可被重写的方法，则可能会出现意想不到的结果，我们来看个例子：

这是基类代码：

public class Base {
    public Base(){
        test();
    }
    
    public void test(){
    }
}

构造方法调用了test()。这是子类代码：

public class Child extends Base {
    private int a = 123;
    
    public Child(){
    }
    
    public void test(){
        System.out.println(a);
    }
}

子类有一个实例变量a，初始赋值为123，重写了test方法，输出a的值。看下使用的代码：

public static void main(String[] args){
    Child c = new Child();
    c.test();
}

输出结果是：

0
123

第一次输出为0，第二次为123。第一行为什么是0呢？第一次输出是在new过程中输出的，在new过程中，首先是初始化父类，父类构造方法调用 test()，test被子类重写了，就会调用子类的test()方法，子类方法访问子类实例变量a，而这个时候子类的实例变量的赋值语句和构造方法还没 有执行，所以输出的是其默认值0。

像这样，在父类构造方法中调用可被子类重写的方法，是一种不好的实践，容易引起混淆，应该只调用private的方法。

重名与静态绑定

上节我们说到，子类可以重写父类非private的方法，当调用的时候，会动态绑定，执行子类的方法。那实例变量、静态方法、和静态变量呢？它们可以重名吗？如果重名，访问的是哪一个呢？

重名是可以的，重名后实际上有两个变量或方法。对于private变量和方法，它们只能在类内被访问，访问的也永远是当前类的，即在子类中，访问的是子类的，在父类中，访问的父类的，它们只是碰巧名字一样而已，没有任何关系。

但对于public变量和方法，则要看如何访问它，在类内访问的是当前类的，但子类可以通过super.明确指定访问父类的。在类外，则要看访问变量的静态类型，静态类型是父类，则访问父类的变量和方法，静态类型是子类，则访问的是子类的变量和方法。我们来看个例子：

这是基类代码：

public class Base {
    public static String s = "static_base";
    public String m = "base";
    
    public static void staticTest(){
        System.out.println("base static: "+s);
    }
}

定义了一个public静态变量s、一个public实例变量m、一个静态方法staticTest。

这是子类代码：

public class Child extends Base {
    public static String s = "child_base";
    public String m = "child";
    
    public static void staticTest(){
        System.out.println("child static: "+s);
    }
}

子类定义了和父类重名的变量和方法。对于一个子类对象，它就有了两份变量和方法，在子类内部访问的时候，访问的是子类的，或者说，子类变量和方法隐藏了父类对应的变量和方法，下面看一下外部访问的代码：

public static void main(String[] args) {
    Child c = new Child();
    Base b = c;
    
    System.out.println(b.s);
    System.out.println(b.m);
    b.staticTest();
    
    System.out.println(c.s);
    System.out.println(c.m);
    c.staticTest();
}

以上代码创建了一个子类对象，然后将对象分别赋值给了子类引用变量c和父类引用变量b，然后通过b和c分别引用变量和方法。这里需要说明的是，静态变量和静态方法一般通过类名直接访问，但也可以通过类的对象访问。程序输出为：

static_base
base
base static: static_base
child_base
child
child static: child_base 

当通过b (静态类型Base) 访问时，访问的是Base的变量和方法，当通过c (静态类型Child)访问时，访问的是Child的变量和方法，这称之为静态绑定，即访问绑定到变量的静态类型，静态绑定在程序编译阶段即可决定，而动态绑定则要等到程序运行时。实例变量、静态变量、静态方法、private方法，都是静态绑定的。

重载和重写

重载是指方法名称相同但参数签名不同（参数个数或类型或顺序不同），重写是指子类重写父类相同参数签名的方法。对一个函数调用而言，可能有多个匹配的方法，有时候选择哪一个并不是那么明显，我们来看个例子：

这里基类代码：

public class Base {
    public int sum(int a, int b){
        System.out.println("base_int_int");
        return a+b;
    }
}

它定义了方法sum，下面是子类代码：

public class Child extends Base {
    public long sum(long a, long b){
        System.out.println("child_long_long");
        return a+b;
    }
}

以下是调用的代码：

public static void main(String[] args){
    Child c = new Child();
    int a = 2;
    int b = 3;
    c.sum(a, b);
}

这个调用的是哪个sum方法呢？每个sum方法都是兼容的，int类型可以自动转型为long，当只有一个方法的时候，那个方法就会被调用。但现在有多个方法可用，子类的sum方法参数类型虽然不完全匹配但是是兼容的，父类的sum方法参数类型是完全匹配的。程序输出为：

base_int_int

父类类型完全匹配的方法被调用了。如果父类代码改成下面这样呢？

public class Base {
    public long sum(int a, long b){
        System.out.println("base_int_long");
        return a+b;
    }
}

父类方法类型也不完全匹配了。程序输出为：

base_int_long

调用的还是父类的方法。父类和子类的两个方法的类型都不完全匹配，为什么调用父类的呢？因为父类的更匹配一些。现在修改一下子类代码，更改为：

public class Child extends Base {
    public long sum(int a, long b){
        System.out.println("child_int_long");
        return a+b;
    }
}

程序输出变为了：

child_int_long

终于调用了子类的方法。可以看出，当有多个重名函数的时候，在决定要调用哪个函数的过程中，首先是按照参数类型进行匹配的，换句话说，寻找在所有重载版本中最匹配的，然后才看变量的动态类型，进行动态绑定。

父子类型转换

之前我们说过，子类型的对象可以赋值给父类型的引用变量，这叫向上转型，那父类型的变量可以赋值给子类型的变量吗？或者说可以向下转型吗？语法上可以进行强制类型转换，但不一定能转换成功。我们以上面的例子来示例：

Base b = new Child();
Child c = (Child)b;

Child c = (Child)b就是将变量b的类型强制转换为Child并赋值为c，这是没有问题的，因为b的动态类型就是Child，但下面代码是不行的：

Base b = new Base();
Child c = (Child)b;

语法上Java不会报错，但运行时会抛出错误，错误为类型转换异常。

一个父类的变量，能不能转换为一个子类的变量，取决于这个父类变量的动态类型（即引用的对象类型）是不是这个子类或这个子类的子类。

给定一个父类的变量，能不能知道它到底是不是某个子类的对象，从而安全的进行类型转换呢？答案是可以，通过instanceof关键字，看下面代码：

public boolean canCast(Base b){
    return b instanceof Child;
}

这个函数返回Base类型变量是否可以转换为Child类型，instanceof前面是变量，后面是类，返回值是boolean值，表示变量引用的对象是不是该类或其子类的对象。

protected

变量和函数有public/private修饰符，public表示外部可以访问，private表示只能内部使用，还有一种可见性介于中间的修饰符protected，表示虽然不能被外部任意访问，但可被子类访问。另外，在Java中，protected还表示可被同一个包中的其他类访问，不管其他类是不是该类的子类，后续章节我们再讨论包。

我们来看个例子，这是基类代码：

public class Base {
    protected  int currentStep;
    
    protected void step1(){
    }
    
    protected void step2(){        
    }
    
    public void action(){
        this.currentStep = 1;
        step1();
        this.currentStep = 2;
        step2();
    }
}

action() 表示对外提供的行为，内部有两个步骤step1()和step2()，使用currentStep变量表示当前进行到了哪个步骤，step1、step2 和currentStep是protected的，子类一般不重写action，而只重写step1和step2，同时，子类可以直接访问 currentStep查看进行到了哪一步。子类的代码是：

public class Child extends Base {
    protected void step1(){
        System.out.println("child step "
                +this.currentStep);
    }
    
    protected void step2(){    
        System.out.println("child step "
                +this.currentStep);
    }
}

使用Child的代码是：

public static void main(String[] args){
    Child c = new Child();
    c.action();
}

输出为：

child step 1
child step 2

基类定义了表示对外行为的方法action，并定义了可以被子类重写的两个步骤step1和step2，以及被子类查看的变量currentStep，子类通过重写protected方法step1和step2来修改对外的行为。

这种思路和设计在设计模式中被称之为模板方法，action方法就是一个模板方法，它定义了实现的模板，而具体实现则由子类提供。模板方法在很多框架中有广泛的应用，这是使用protected的一个常用场景。关于更多设计模式的内容我们暂不介绍。

可见性重写

重写方法时，一般并不会修改方法的可见性。但我们还是要说明一点，重写时，子类方法不能降低父类方法的可见性，不能降低是指，父类如果是public，则子类也必须是public，父类如果是protected，子类可以是protected，也可以是public，即子类可以升级父类方法的可见性但不能降低。如下所示：

基类代码为：

public class Base {
    protected void protect(){
    }
    
    public void open(){        
    }
}

子类代码为：

public class Child extends Base {
    //以下是不允许的的，会有编译错误
//    private void protect(){
//    }
    
    //以下是不允许的，会有编译错误
//    protected void open(){        
//    }
    
    public void protect(){        
    }
}

为什么要这样规定呢？继承反映的是"is-a"的关系，即子类对象也属于父类，子类必须支持父类所有对外的行为，将可见性降低就会减少子类对外的行为，从而破坏"is-a"的关系，但子类可以增加父类的行为，所以提升可见性是没有问题的。

防止继承 (final)

上节我们提到继承是把双刃剑，具体原因我们后续章节解说，带来的影响就是，有的时候我们不希望父类方法被子类重写，有的时候甚至不希望类被继承，实现这个的方法就是final关键字。之前我们提过final可以修饰变量，这是final的另一个用法。

一个Java类，默认情况下都是可以被继承的，但加了final关键字之后就不能被继承了，如下所示：

public final class Base {
   //....
}

一个非final的类，其中的public/protected实例方法默认情况下都是可以被重写的，但加了final关键字后就不能被重写了，如下所示：

public class Base {
    public final void test(){
        System.out.println("不能被重写");
    }
} 

小结

本节我们讨论了Java继承概念引入的一些细节，有些细节可能平时遇到的比较少，但我们还是需要对它们有一个比较好的了解，包括构造方法的一些细节，变量和方法的重名，父子类型转换，protected，可见性重写，final等。

但还有些重要的地方我们没有讨论，比如，创建子类对象的具体过程？动态绑定是如何实现的？让我们下节来探索继承实现的基本原理。

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