计算机程序的思维逻辑 (16) - 继承的细节
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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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