Java多态与重写

爱学JAVA的小妍妍 2023-06-25 原文

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1.多态

1.1为什么会有多态

现实生活中,但我们完成某一个同样的行为,当不同的对象去完成时会产生出不同的状态.比如说吃食物,当猫去完成时就是吃猫粮,狗去完成时就是吃狗粮.可以概括为：同一件事情，发生在不同对象身上，就会产生不同的结果.

又比如说,当我们要打印一张资料,如果用黑白打印机那么就会打印黑白效果,彩色打印机就会打印彩色效果.

综上,我们可以引出多态的概念.

1.2 多态的概念

多态的概念：多种形态，完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。
多态体现：在代码运行时，当传递不同类对象时，会调用对应类中的方法。

1.3 重写

1.3.1 什么是重写

要学多态必须先知道什么是重写,重写是多态的基础.

若干年前的手机，只能打电话，发短信，而今天的手机，不仅仅可以打电话发短信还可以玩游戏打视频等等.在这个过程当中，我们不应该在原来老的类上进行修改，因为原来的类，可能还在有用户使用，正确做法是：新建一个新手机的类，对手机功能这个方法重写就好了，这样就达到了我们当今的需求了。
我们可以引出重写的概念,如下:

重写(override)：也称为覆盖。重写是子类对父类非静态、非private修饰，非final修饰，非构造方法等的实现过程进行重新编写,返回值和形参都不能改变。即外壳不变，核心重写！重写的好处在于子类可以根据需要，定义特定于自己的行为。也就是说子类能够根据需要实现父类的方法。

所以说,对于已经投入使用的类，尽量不要进行修改。最好的方式是：重新定义一个新的类，来重复利用其中共性的内容，并且添加或者改动新的内容。
所以重写的意义便是:在不修改已经投入使用的类的情况下定义一个既有原来类的共性又有新功能的类.

1.3.2方法重写的规则:

子类在重写父类的方法时，一般必须与父类方法原型一致： 返回值类型 方法名参数列表 要完全一致 ,方法体重新写. (注意:参数列表一致是指参数个数,参数顺序,参数类型都完全一样)
针对上一条规则有一个特例就是协变类型.协变类型中,被重写的方法返回值类型可以不同，但是必须是具有父子关系的.《Java编程思想》中就有这个概念.我们可以用以下代码举例,如下:
子类访问权限不能比父类中被重写的方法的访问权限更低。例如：如果父类方法被public修饰，则子类中重写该方法就不能声明为 protected
父类被static(被static修饰的方法不是对象的而是类的)、private修饰的方法、构造方法都不能被重写。
重写的方法, 可以使用 @Override 注解来显式指定. 有了这个注解能帮我们进行一些合法性校验. 例如不小心将方法名字拼写错了 (比如写成 aet), 那么此时编译器就会发现父类中没有 aet 方法, 就会编译报错, 提示无法构成重写

1.3.3 不能进行重写的情况

被private修饰的方法不能重写
被static修饰的方法不能重写
子类的访问修饰限定符小于父类的访问修饰限定符
被final修饰的方法不能被重写(密封方法)
构造方法不能重写

1.4 重写和重载的区别

方法重载是一个类的多态性表现,而方法重写是子类与父类的一种多态性表现

我们举一个例子,代码代码如下图:

1.5 多态实现条件

在java中要实现多态，必须要满足如下几个条件，缺一不可：

必须在继承体系下
子类必须要对父类中方法进行重写
通过父类的引用调用重写的方法

下面这个例子很好的说明了重写是多态的基础、重写实现多态:

class Animal {
    String name;
    int age;
    public Animal(String name, int age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public void eat(){
        System.out.println(name + "干饭");
    }
}
 class Cat extends Animal{
    public Cat(String name, int age){
        super(name, age);
    }
    @Override
    public void eat(){
        System.out.println(name+"吃鱼~~~");
    }
    public void miao(){
        System.out.println(name+"喵喵喵")
}
class Dog extends Animal {
    public Dog(String name, int age){
        super(name, age);
    }
    @Override
    public void eat(){
        System.out.println(name+"吃骨头~~~");
    }
    public void bark(){
        System.out.println(name+"汪汪汪")
}
///分割线//
public class TestAnimal {
    // 编译器在编译代码时，并不知道要调用Dog 还是 Cat 中eat的方法
// 等程序运行起来后，形参a引用的具体对象确定后，才知道调用那个方法
// 注意：此处的形参类型必须时父类类型才可以
    public static void eat(Animal a){
        a.eat();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat("汤姆",2);
        Dog dog = new Dog("派克斯", 1);
        eat(cat);
        eat(dog);
    }
}

运行结果:

以上代码中Cat子类和Dog子类都对Animal父类进行了重写.
在上述代码中, 分割线上方的代码是类的实现者编写的, 分割线下方的代码是类的调用者编写的.当类的调用者在编写eat 这个方法的时候, 参数类型为 Animal (父类), 此时在该方法内部并不知道, 也不关注当前的a引用指向的是哪个类型(哪个子类)的实例. 此时 a这个引用调用eat方法可能会有多种不同的表现(和 a 引用的实例相关), 这种行为就称为多态.

1.6 静态绑定与动态绑定

静态绑定：也称为前期绑定(早绑定)，即在编译时，根据用户所传递实参类型就确定了具体调用那个方法。典型代表方法重载。

举例,如下:

public class TestMethod {
public static void main(String[] args) {
add(1, 2); // 调用add(int, int)
add(1.5, 2.5); // 调用add(double, double)
add(1.5, 2.5, 3.5); // 调用add(double, double, double)
}
public static int add(int x, int y) {
return x + y;
}
public static double add(double x, double y) {
return x + y;
}
public static double add(double x, double y, double z) {
return x + y + z;
}
}

动态绑定：也称为后期绑定(晚绑定)，即在编译时，不能确定方法的行为，需要等到程序运行时，才能够确定具体调用那个类的方法。动态绑定也是向上转型的一种表现形式.

动态绑定的本质:

发生了重写
通过父类引用调用子类重写的方法,但运行后的结果是子类的.

我们举一个例子:

2. 向上转型和向下转型

2.1 向上转型

向上转型：实际就是创建一个子类对象，将其当成父类对象来使用。

语法格式：父类类型对象名 = new 子类类型()

例如:

Animal animal = new Cat("汤姆",2);

animal是父类类型，但可以引用一个子类对象，因为是从小范围向大范围的转换。

向上转型发生时机:

直接赋值
方法传参
返回值
我们用下面的例子分别说明:

 public class TestAnimal {
// 2. 方法传参：形参为父类型引用，可以接收任意子类的对象
public static void eatFood(Animal a){
a.eat();
} 
// 3. 作返回值：返回任意子类对象
public static Animal buyAnimal(String var){
if("狗".equals(var) ){
return new Dog("狗狗",1);
}else if("猫" .equals(var)){
return new Cat("猫猫", 1);
}else{
return null;
}
}
public static void main(String[] args) {
Animal cat = new Cat("汤姆",2); // 1. 直接赋值：子类对象赋值给父类对象
Dog dog = new Dog("派克斯", 1);
eatFood(cat);
eatFood(dog);
Animal animal = buyAnimal("狗");
animal.eat();
animal = buyAnimal("猫");
animal.eat();
}
}

画图理解一下:

2.2 向下转型

在向上转型中我们将父类引用接收子类对象,比如,Animal animal = new Dog(),我们可以理解为狗一定是动物.但是我们能说动物一定是狗吗?显然不能.这是一种"向下转型"的说法,这种说法是不安全的.

将一个子类对象经过向上转型之后当成父类方法使用，再无法调用子类的方法，但有时候可能需要调用子类特有的方法，由此我们引出向下转型的概念：将父类引用再还原为子类对象.
我们可以用如下代码理解这些概念:

public class TestAnimal {
public static void main(String[] args) {
Cat cat = new Cat("汤姆",2);
Dog dog = new Dog("派克斯", 1);
// 向上转型
Animal animal = cat;
animal.eat();
animal = dog;
animal.eat();
// 编译失败，编译时编译器将animal当成Animal对象处理
// 而Animal类中没有bark方法，因此编译失败
// animal.bark();
// 向上转型
// 程序可以通过编程，但运行时抛出异常---因为：animal实际指向的是狗
// 现在要强制还原为猫，无法正常还原，运行时抛出：ClassCastException
cat = (Cat)animal;
cat.miao();
// animal本来指向的就是狗，因此将animal还原为狗也是安全的
dog = (Dog)animal;
dog.bark();
}
}

向下转型用的比较少，而且不安全，万一转换失败，运行时就会抛异常。Java中为了提高向下转型的安全性，引入了 instanceof ，如果该表达式为true，则可以安全转换
instanceof关键词官方介绍

public class TestAnimal {
public static void main(String[] args) {
Cat cat = new Cat("汤姆",2);
Dog dog = new Dog("派克斯", 1);
// 向上转型
Animal animal = cat;
animal.eat();
animal = dog;
animal.eat();
if(animal instanceof Cat){
cat = (Cat)animal;
cat.miao();
} if(
animal instanceof Dog){
dog = (Dog)animal;
dog.bark();
}
}
}

总结:
向上转型的优点：让代码实现更简单灵活。
向上转型的缺陷：不能调用到子类特有的方法

2.3重写、向上转型和动态绑定共同表现为多态

下图中的代码运行结果很好的体现了多态:

3.多态的优缺点

3.1 多态的优势

能够降低代码的 “圈复杂度”, 避免使用大量的 if - else
什么叫 “圈复杂度” ?

圈复杂度是一种描述一段代码复杂程度的方式. 一段代码如果平铺直叙, 那么就比较简单容易理解. 而如果有很多的条件分支或者循环语句,
就认为理解起来更复杂.因此我们可以简单粗暴的计算一段代码中条件语句和循环语句出现的个数, 这个个数就称为
“圈复杂度”.如果一个方法的圈复杂度太高, 就需要考虑重构.不同公司对于代码的圈复杂度的规范不一样. 一般不会超过 10 .

例如我们现在需要打印多个形状. 如果不基于多态, 实现代码如下:

public static void drawShapes() {
Rect rect = new Rect();
Cycle cycle = new Cycle();
Flower flower = new Flower();
String[] shapes = {"cycle", "rect", "cycle", "rect", "flower"};
for (String shape : shapes) {
if (shape.equals("cycle")) {
cycle.draw();
} else if (shape.equals("rect")) {
rect.draw();
} else if (shape.equals("flower")) {
flower.draw();
}
}
}

如果使用使用多态, 则不必写这么多的 if - else 分支语句, 代码更简单.

public static void drawShapes() {
// 我们创建了一个 Shape 对象的数组.
Shape[] shapes = {new Cycle(), new Rect(), new Cycle(),
new Rect(), new Flower()};
for (Shape shape : shapes) {
shape.draw();
}
}

可扩展能力更强
如果要新增一种新的形状, 使用多态的方式代码改动成本也比较低.

class Triangle extends Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("△");
}
}

对于类的调用者来说(drawShapes方法), 只要创建一个新类的实例就可以了, 改动成本很低.而对于不用多态的情况, 就要把 drawShapes 中的 if - else 进行一定的修改, 改动成本更高.

3.2 多态的缺陷

多态缺陷：

代码的运行效率降低。
属性没有多态性.当父类和子类都有同名属性的时候，通过父类引用，只能引用父类自己的成员属性
构造方法没有多态性

4.避免在构造方法中调用重写的方法

举一段有坑的代码
我们创建两个类, Father 是父类, Son 是子类. Father 中重写 func 方法. 并且在 Father 的构造方法中调用 func

class Father {
public Father() {
// do nothing
func();
}
public void func() {
System.out.println("Father.func()");
}
}
class Son extends Father { 
private int num = 1;
@Override
public void func() {
System.out.println("Son.func() " + num);
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Son son = new Son();
}
} /
/ 执行结果
Son.func() 0