Java中的多态与继承

开始学习Java中的多态及如何在多态方法调用中进行方法调用

多态——即对象根据其类型执行特定操作的能力——是Java代码灵活性的核心。四人组（Gang Of Four）创建的许多设计模式都依赖于某种形式的多态，包括命令模式。本文将介绍Java多态的基础知识及如何在程序中使用它。

关于Java多态需要了解的内容

• 多态与Java继承
• 为何多态重要
• 方法重写中的多态
• 核心Java类中的多态
• 多态方法调用与类型转换
• 保留关键字与多态
• 多态的常见错误
• 关于多态需要记住的要点

多态与Java继承

我们将重点探讨多态与Java继承的关系。需记住的核心点是：多态需要继承或接口实现。以下示例通过Duke和Juggy展示这一点：

public abstract class JavaMascot {
    public abstract void executeAction();
}

public class Duke extends JavaMascot {
    @Override
    public void executeAction() {
        System.out.println("Punch!");
    }
}

public class Juggy extends JavaMascot {
    @Override
    public void executeAction() {
        System.out.println("Fly!");
    }
}

public class JavaMascotTest {
    public static void main(String... args) {
        JavaMascot dukeMascot = new Duke();
        JavaMascot juggyMascot = new Juggy();
        dukeMascot.executeAction();
        juggyMascot.executeAction();
    }
}

代码输出为：

Punch!
Fly!

由于各自的具体实现，Duke和Juggy的动作均被执行。

为何多态重要

使用多态的目的是将客户端类与实现代码解耦。客户端类通过接收具体实现来执行所需操作，而非硬编码。这种方式下，客户端类仅需了解执行操作的必要信息，这是松耦合的典范。

为了更好地理解多态的优势，请观察以下SweetCreator：

public abstract class SweetProducer {
    public abstract void produceSweet();
}

public class CakeProducer extends SweetProducer {
    @Override
    public void produceSweet() {
        System.out.println("Cake produced");
    }
}

public class ChocolateProducer extends SweetProducer {
    @Override
    public void produceSweet() {
        System.out.println("Chocolate produced");
    }
}

public class CookieProducer extends SweetProducer {
    @Override
    public void produceSweet() {
        System.out.println("Cookie produced");
    }
}

public class SweetCreator {
    private List<SweetProducer> sweetProducer;

    public SweetCreator(List<SweetProducer> sweetProducer) {
        this.sweetProducer = sweetProducer;
    }

    public void createSweets() {
        sweetProducer.forEach(sweet -> sweet.produceSweet());
    }
}

public class SweetCreatorTest {
    public static void main(String... args) {
        SweetCreator sweetCreator = new SweetCreator(
            Arrays.asList(
                new CakeProducer(),
                new ChocolateProducer(),
                new CookieProducer()
            )
        );
        sweetCreator.createSweets();
    }
}

此例中，SweetCreator类仅知晓SweetProducer类，而不了解每个甜点的具体实现。这种分离使类能灵活更新和重用，并大幅提升代码可维护性。设计代码时，应始终寻求使其尽可能灵活和可维护。多态是编写可重用Java代码的强力技术。

提示：@Override注解强制程序员使用必须被重写的相同方法签名。若方法未被重写，将产生编译错误。

方法重载是多态吗？

许多程序员对多态与方法重写、重载的关系感到困惑。但只有方法重写是真正的多态。重载共享相同方法名但参数不同。多态是广义术语，因此相关讨论将持续存在。

方法重写中的多态

若返回类型是协变类型，则允许修改重写方法的返回类型。协变类型本质上是返回类型的子类。示例如下：

public abstract class JavaMascot {
    abstract JavaMascot getMascot();
}

public class Duke extends JavaMascot {
    @Override
    Duke getMascot() {
        return new Duke();
    }
}

由于Duke是JavaMascot的子类，我们可在重写时修改返回类型。

核心Java类中的多态

我们在核心Java类中频繁使用多态。一个简单示例是实例化ArrayList类时声明List接口为类型：

List<String> list = new ArrayList<>();

进一步观察以下未使用多态的Java集合API代码：

public class ListActionWithoutPolymorphism {
    // 无多态的示例
    void executeVectorActions(Vector<Object> vector) {/* 此处代码重复 */}
    void executeArrayListActions(ArrayList<Object> arrayList) {/* 此处代码重复 */}
    void executeLinkedListActions(LinkedList<Object> linkedList) {/* 此处代码重复 */}
    void executeCopyOnWriteArrayListActions(CopyOnWriteArrayList<Object> copyOnWriteArrayList)
    { /* 此处代码重复 */}
}

public class ListActionInvokerWithoutPolymorphism {
    listAction.executeVectorActions(new Vector<>());
    listAction.executeArrayListActions(new ArrayList<>());
    listAction.executeLinkedListActions(new LinkedList<>());
    listAction.executeCopyOnWriteArrayListActions(new CopyOnWriteArrayList<>());
}

这段代码很糟糕，不是吗？想象维护它的难度！现在观察使用多态的相同示例：

public static void main(String … polymorphism) {
    ListAction listAction = new ListAction();    
    listAction.executeListActions();
}
public class ListAction {
    void executeListActions(List<Object> list) {
        // 对不同列表执行操作
    }
}
public class ListActionInvoker {
    public static void main(String... masterPolymorphism) {
        ListAction listAction = new ListAction();
        listAction.executeListActions(new Vector<>());
        listAction.executeListActions(new ArrayList<>());
        listAction.executeListActions(new LinkedList<>());
        listAction.executeListActions(new CopyOnWriteArrayList<>());
    }
}

多态的优势在于灵活性和扩展性。我们无需创建多个不同方法，只需声明一个接收通用List类型的方法。

多态方法调用与类型转换

可以在多态调用中调用特定方法，但会牺牲灵活性。示例如下：

public abstract class MetalGearCharacter {
    abstract void useWeapon(String weapon);
}
public class BigBoss extends MetalGearCharacter {
    @Override
    void useWeapon(String weapon) {
        System.out.println("Big Boss is using a " + weapon);
    }
    void giveOrderToTheArmy(String orderMessage) {
        System.out.println(orderMessage);
    }
}
public class SolidSnake extends MetalGearCharacter {
    void useWeapon(String weapon) {
        System.out.println("Solid Snake is using a " + weapon);
    }
}
public class UseSpecificMethod {
    public static void executeActionWith(MetalGearCharacter metalGearCharacter) {
        metalGearCharacter.useWeapon("SOCOM");
        // 以下行无法工作
        // metalGearCharacter.giveOrderToTheArmy("Attack!");
        if (metalGearCharacter instanceof BigBoss) {
            ((BigBoss) metalGearCharacter).giveOrderToTheArmy("Attack!");
        }
    }
    public static void main(String... specificPolymorphismInvocation) {
        executeActionWith(new SolidSnake());
        executeActionWith(new BigBoss());
    }
}

此处使用的技术是类型转换（casting），即在运行时显式改变对象类型。

注意：只有将通用类型强制转换为具体类型后，才能调用特定方法。这相当于明确告诉编译器：“我知道自己在做什么，因此要将对象转换为具体类型并使用特定方法。”

在上述示例中，编译器拒绝接受特定方法调用的原因很重要：传入的类可能是SolidSnake。在此情况下，编译器无法确保每个MetalGearCharacter的子类都声明了giveOrderToTheArmy方法。

保留关键字

注意保留字instanceof。在调用特定方法前，我们需检查MetalGearCharacter是否为BigBoss的实例。若非BigBoss实例，将收到以下异常信息：

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: com.javaworld.javachallengers.polymorphism.specificinvocation.SolidSnake cannot be cast to com.javaworld.javachallengers.polymorphism.specificinvocation.BigBoss

若需引用Java超类的属性或方法，可使用保留字super。例如：

public class JavaMascot {
    void executeAction() {
        System.out.println("The Java Mascot is about to execute an action!");
    }
}
public class Duke extends JavaMascot {
    @Override
    void executeAction() {
        super.executeAction();
        System.out.println("Duke is going to punch!");
    }
    public static void main(String... superReservedWord) {
        new Duke().executeAction();
    }
}

在Duke的executeAction方法中使用super可调用超类方法，再执行Duke的特定动作。因此输出如下：

The Java Mascot is about to execute an action!
Duke is going to punch!

多态的常见错误

• 常见错误是认为无需类型转换即可调用特定方法。
• 另一个错误是在多态实例化类时不确认将调用哪个方法。需记住：被调用的方法是所创建实例的方法。
• 还需注意方法重写不同于方法重载。
• 若参数不同，则无法重写方法。若返回类型是超类方法的子类，则可以修改重写方法的返回类型。

关于多态需要记住的要点

• 所创建的实例将决定使用多态时调用哪个方法。
• @Override注解强制程序员使用重写方法；否则将产生编译错误。
• 多态可用于普通类、抽象类和接口。
• 大多数设计模式依赖某种形式的多态。
• 调用多态子类中特定方法的唯一方式是使用类型转换。
• 可通过多态设计强大的代码结构。

接受Java多态挑战！

让我们测试你对多态和继承的理解。在此挑战中，你需要根据Matt Groening的辛普森一家代码推断每个类的输出。首先仔细分析以下代码：

public class PolymorphismChallenge {
    static abstract class Simpson {
        void talk() {
            System.out.println("Simpson!");
        }
        protected void prank(String prank) {
            System.out.println(prank);
        }
    }
    static class Bart extends Simpson {
        String prank;
        Bart(String prank) { this.prank = prank; }
        protected void talk() {
            System.out.println("Eat my shorts!");
        }
        protected void prank() {
            super.prank(prank);
            System.out.println("Knock Homer down");
        }
    }
    static class Lisa extends Simpson {
        void talk(String toMe) {
            System.out.println("I love Sax!");
        }
    }
    public static void main(String... doYourBest) {
        new Lisa().talk("Sax :)");
        Simpson simpson = new Bart("D'oh");
        simpson.talk();
        Lisa lisa = new Lisa();
        lisa.talk();
        ((Bart) simpson).prank();
    }
}

你认为最终输出是什么？不要使用IDE！重点是提升代码分析能力，请自行推断结果。

选项：
A)

I love Sax!  
 D'oh  
 Simpson!  
 D'oh  

B)

Sax :)  
 Eat my shorts!  
 I love Sax!  
 D'oh  
 Knock Homer down  

C)

Sax :)  
 D'oh  
 Simpson!  
 Knock Homer down  

D)

I love Sax!  
 Eat my shorts!  
 Simpson!  
 D'oh  
 Knock Homer down

解答挑战
对于以下方法调用：

new Lisa().talk("Sax :)");

输出为“I love Sax!”，因为我们向方法传递了字符串且Lisa类有此方法。

下一调用：

Simpson simpson = new Bart("D'oh");
simpson.talk();

输出为“Eat my shorts!”，因为我们用Bart实例化了Simpson类型。

以下调用较为复杂：

Lisa lisa = new Lisa();
lisa.talk();

此处通过继承使用了方法重载。由于未向talk方法传递参数，因此调用Simpson的talk方法，输出为：

"Simpson!"

最后一个调用：

((Bart) simpson).prank();

此例中，prank字符串在实例化Bart时通过new Bart("D'oh")传入。此时首先调用super.prank方法，再执行Bart的特定prank方法。输出为：

"D'oh"
"Knock Homer down"

因此正确答案是D。输出为：

I love Sax!
Eat my shorts! 
Simpson!
D'oh
Knock Homer down

【注】本文译自：Polymorphism and inheritance in Java | InfoWorld