【Java】面向对象：继承、组合和多态

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✨系列专栏:【Java SE】
✨一句短话: 难在坚持,贵在坚持,成在坚持!

一. 面向对象三大特性之继承

1. 继承的概念

继承(inheritance)机制：是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段，它允许程序员在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加新功能，这样产生新的类，称派生类(子类)。

继承呈现了面向对象程序设计的层次结构，体现了由简单到复杂的认知过程。继承主要解决的问题是：共性的抽取，实现代码复用。

例如：狗和猫都是动物，那么我们就可以将共性的内容进行抽取，然后采用继承的思想来达到共用

上述图示中，Dog和Cat都继承了Animal类，其中：Animal类称为父类/基类/超类，Dog和Cat可以称为Animal的子类/派生类，继承之后，子类可以复用父类中成员，子类在实现时只需关心自己新增加的成员即可。

2. 继承的语法

在Java中如果要表示类之间的继承关系，需要借助extends关键字，具体如下：

修饰符 class 子类 extends 父类 {
// ...
}
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此时将 1 中的设计思想使用代码实现：

// Animal.java
public class Animal{
    String name;
    int age;
    public void eat(){
        System.out.println(name + "正在吃饭");
    }
    public void sleep(){
        System.out.println(name + "正在睡觉");
    }
}

// Dog.java
public class Dog extends Animal{
    void bark(){
        System.out.println(name + "汪汪汪~~~");
    }
}

// Cat.Java
public class Cat extends Animal{
    void mew(){
        System.out.println(name + "喵喵喵~~~");
    }
}

// TestExtend.java
public class TestExtend {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog();
        // dog类中并没有定义任何成员变量，
        //name和age属性是从父类Animal中继承下来的
        System.out.println(dog.name);
        System.out.println(dog.age);
        //dog访问的eat()和sleep()方法也是从Animal中继承下来的
        dog.eat();
        dog.sleep();
        dog.bark();
    }
}
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注意：

子类会将父类中的成员变量或者成员方法继承到子类中了
子类继承父类之后，必须要新添加自己特有的成员，体现出与基类的不同，否则就没有必要继承了

3. 父类成员的访问

3.1 子类中访问父类的成员变量

子类和父类不存在同名成员变量

public class Base {
    int a;
    int b;
}

public class Derived extends Base{
    int c;
    public void method(){
        a = 10; // 访问从父类中继承下来的a
        b = 20; // 访问从父类中继承下来的b
        c = 30; // 访问子类自己的c
    }
}
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子类和父类成员变量同名

public class Base {
    int a;
    int b;
    int c;
}

public class Derived extends Base{
    int a; // 与父类中成员a同名，且类型相同
    char b; // 与父类中成员b同名，但类型不同
    public void method(){
        a = 100; // 访问子类自己新增的a
        b = 101; // 访问子类自己新增的b
        c = 102; // 子类没有c，访问从父类继承下来的c
        // d = 103; // 编译失败，因为父类和子类都没有定义成员变量d
    }
}
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在子类方法中或者通过子类对象访问成员时：

如果访问的成员变量子类中有，优先访问自己的成员变量。
如果访问的成员变量子类中无，则访问父类继承下来的，如果父类也没有定义，则编译报错。
如果访问的成员变量与父类中成员变量同名，则优先访问自己的。

成员变量访问遵循就近原则，自己有优先自己的，如果没有则向父类中找

3.2 子类中访问父类的成员方法

父类和子类的成员方法名字不同

public class Base {
    public void methodA(){
        System.out.println("Base中的methodA()");
    }
}

public class Derived extends Base{
    public void methodB(){
        System.out.println("Derived中的methodB()方法");
    }
    public void methodC(){
        methodB(); // 访问子类自己的methodB()
        methodA(); // 访问父类继承的methodA()
        // methodD(); // 编译失败，在整个继承体系中没有发现方法methodD()
    }
}
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父类和子类的成员方法名字相同

public class Base {
    int a;
    int b;
    public void methodA(){
        System.out.println("Base中的methodA()");
    }
    public void methodB(){
        System.out.println("Base中的methodB()");
    }
}

public class Derived extends Base{
    public void methodA(int a) {
        System.out.println("Derived中的method(int)方法");
    }
    public void methodB(){
        System.out.println("Derived中的methodB()方法");
    }
    public void methodC(){
        methodA(); // 没有传参，访问父类中的methodA()
        methodA(20); // 传递int参数，访问子类中的methodA(int)
        methodB(); // 直接访问，则永远访问到的都是子类中的methodB()，基类的无法访问到
    }
}
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【总结】：

通过子类对象访问父类与子类中不同名方法时，优先在子类中找，找到则访问；否则在父类中找，找到则访问，如果父类中也没有则编译报错。
通过派生类对象访问父类与子类同名方法时，如果父类和子类同名方法的参数列表不同(重载)，根据调用方法适传递的参数选择合适的方法访问；如果没有则报错。
通过派生类对象访问父类与子类同名方法时，如果父类和子类同名方法的参数列表、返回值都相同，则遵循就近原则，直接访问子类中的方法，不会访问父类中的方法。

4. protected 的使用场景

结合下面代码理解父类中不同访问权限的成员在子类中的可见性：

注意：父类中private成员变量虽然在子类中不能直接访问，但是也继承到子类中了

// extend01包中
public class B {
    private int a;
    protected int b;
    public int c;
    int d;
} 

// extend01包中
// 同一个包中的子类
public class D extends B{
    public void method(){
     // super.a = 10; // 编译报错，父类private成员在相同包子类中不可见
        super.b = 20; // 父类中protected成员在相同包子类中可以直接访问
        super.c = 30; // 父类中public成员在相同包子类中可以直接访问
        super.d = 40; // 父类中默认访问权限修饰的成员在相同包子类中可以直接访问
    }
} 

// extend02包中
// 不同包中的子类
public class C extends B {
    public void method(){
      //super.a = 10; // 编译报错，父类中private成员在不同包子类中不可见
        super.b = 20; // 父类中protected修饰的成员在不同包子类中可以直接访问
        super.c = 30; // 父类中public修饰的成员在不同包子类中可以直接访问
      //super.d = 40; // 父类中默认访问权限修饰的成员在不同包子类中不能直接访问
    }
} 

// extend02包中
// 不同包中的类
public class TestC {
    public static void main(String[] args) {
        C c = new C();
        c.method();
// System.out.println(c.a); // 编译报错，父类中private成员在不同包其他类中不可见
// System.out.println(c.b); // 父类中protected成员在不同包其他类中不能直接访问
        System.out.println(c.c); // 父类中public成员在不同包其他类中可以直接访问
// System.out.println(c.d); // 父类中默认访问权限修饰的成员在不同包其他类中不能直接访问
    }
}
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5. 继承方式

但在Java中只支持以下几种继承方式：

注意：Java中不支持多继承，且一般我们不希望出现超过三层的继承关系。

6. final 关键字

final关键可以用来修饰变量、成员方法以及类。

修饰变量或字段，表示常量(即不能修改)

final int a = 10;
a = 20; // 编译出错,这里a是常量，不可以被修改
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修饰类：表示此类不能被继承

final public class Animal {
...
}

public class Bird extends Animal {
...
} 

// 编译出错
Error:(3, 27) java: 无法从最终com.bit.Animal进行继
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观察 String 字符串类的源码，默认就是用 final 修饰的, 不能被继承.

修饰方法：final修饰的方法叫做密封方法，不能被重写。

7. 继承与组合

和继承类似, 组合也是一种表达类之间关系的方式, 也是能够达到代码重用的效果。组合并没有涉及到特殊的语法(诸如 extends 这样的关键字), 仅仅是将一个类的实例作为另外一个类的字段。

继承表示对象之间是is-a的关系，比如：狗是动物，猫是动物
组合表示对象之间是has-a的关系，比如：汽车和其轮胎、发动机、方向盘、车载系统等的关系就应该是组合，因为汽车是有这些部件组成的。

// 轮胎类
class Tire{
// ...
} /
        / 发动机类
class Engine{
// ...
} /
        / 车载系统类
class VehicleSystem{
// ...
}
class Car{
    private Tire tire; // 可以复用轮胎中的属性和方法
    private Engine engine; // 可以复用发动机中的属性和方法
    private VehicleSystem vs; // 可以复用车载系统中的属性和方法
// ...
} /
        / 奔驰是汽车
class Benz extend Car{
// 将汽车中包含的：轮胎、发送机、车载系统全部继承下来
}
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组合和继承都可以实现代码复用，应该使用继承还是组合，需要根据应用场景来选择，一般建议：能用组合尽量用组合。

二. 面向对象三大特性之多态

1. 多态的概念

俗来说，就是多种形态，**具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态；**同一件事情，发生在不同对象身上，就会产生不同的结果。

2. 重写

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。
【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
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
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、private、final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

【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

区别点	重写(override)	重载(override)
参数列表	绝对不可以修改	必须修改
返回类型	不可以修改【除非可以构成父子类关系】	可以修改
访问限定符	不能比父类中被重写的方法的访问权限更低	可以修改

【重写的设计原则】
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。

**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。典型代表函数重载。

**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。这也是多态的特征。

3. 向上转型和向下转型

3.1 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( )

//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。
Animal animal = new Cat("元宝",2);
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【使用场景】

直接赋值
方法传参
方法返回

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" == var){
            return new Dog("狗狗",1);
        }else if("猫" == var){
            return new Cat("猫猫", 1);
        }else{
            return null;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Animal cat = new Cat("元宝",2);
    // 1. 直接赋值：子类对象赋值给父类对象
        Dog dog = new Dog("小七", 1);
        eatFood(cat);
        eatFood(dog);
        Animal animal = buyAnimal("狗");
        animal.eat();
        animal = buyAnimal("猫");
        animal.eat();
    }
}

public class Animal{
    String name;
    int age;
    public void eat(){
        System.out.println(name + "正在吃饭");
    }
    public void sleep(){
        System.out.println(name + "正在睡觉");
    }
}

// Dog.java
public class Dog extends Animal{
    void bark(){
        System.out.println(name + "汪汪汪~~~");
    }
}

// Cat.Java
public class Cat extends Animal{
    void mew(){
        System.out.println(name + "喵喵喵~~~");
    }
}
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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。

3.2 向下转型

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，此时：将父类引用再还原为子类对象即可，即向下转型

public class TestAnimal {
    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat("元宝",2);
        Dog dog = new Dog("小七", 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：ClstException
        cat = (Cat)animal;
        cat.mew();
        
        // 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();
    }
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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 是 Java 的保留关键字。它的作用是测试它左边的对象是否是它右边的类的实例，返回 boolean 的数据类型。

public class TestAnimal {
    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat("元宝",2);
        Dog dog = new Dog("小七", 1);
        
        // 向上转型
        Animal animal = cat;
        animal.eat();
        animal = dog;
        animal.eat(); 
        
        if(animal instanceof Cat){
            cat = (Cat)animal;
            cat.mew();
        } 
        if(animal instanceof Dog){
            dog = (Dog)animal;
            dog.bark();
        }
    }
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4. 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

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。

实现多态的实例：

public 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 + "吃饭");
    }
}
public class Cat extends Animal{
    public Cat(String name, int age){
        super(name, age);
    } 
    @Override
    public void eat(){
        System.out.println(name+"吃鱼~~~");
    }
}
public class Dog extends Animal {
    public Dog(String name, int age){
        super(name, age);
    } 
    @Override
    public void eat(){
        System.out.println(name+"吃骨头~~~");
    }
}

///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("元宝",2);
        Dog dog = new Dog("小七", 1);
        eat(cat);
        eat(dog);
    }
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执行结果：
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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(调用类中的方法) 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.

5. 多态的优缺点

5.1 使用多态好处

能够降低代码的 “圈复杂度”, 避免使用大量的 if - else

圈复杂度是一种描述一段代码复杂程度的方式，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 。
例如要打印多个形状，如果不基于多态, 实现代码如下:

public class Test{
    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();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        drawShapes();
    }
}

class Shape {
    //属性....
    public void draw() {
        System.out.println("画图形！");
    }
}
class Rect extends Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("♦");
    }
}
class Cycle extends Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("●");
    }
}

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

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。

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

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。

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