(16) 继承的细节

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。

原文发布于微信公众号 - 老马说编程(laoma_shuo)

原文发表时间:2016-05-24

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