向上转型

难点

方法调用绑定

产生正确的行为

可扩展性

陷阱：“重写”private方法

陷阱：字段与静态方法

构造器和多态

构造器的调用顺序

继承和清理

构造器内部的多态方法行为

协变返回类型

使用继承的设计

替换和扩展

向下转型和反射

本笔记参考自：《On Java 中文版》

多态，是面向对象编程语言的一个基本特性，也被称为动态绑定、后期绑定或运行时绑定。这一特性分离了做什么（接口）和怎么做（实现）。到目前为止，已经可以总结：

封装，通过组合特征和行为来创建新的数据类型；
隐藏实现，通过把实现细节设为private来分离接口和实现。

而多态则是根据类型来进行解耦的。多态方法调用允许一种类型表现出和另一种相似类型之间的区别，而只要求它们都继承相同的基类。

向上转型

获取对象引用并把其当作基类型的引用称为向上转型，这是因为继承层次结构是以基类在顶部的方式进行绘制的。

以乐器为例，先创建一个枚举：

package music;public enum Note {MIDDLE_C, C_SHARP, B_FLAT;
}

已知，管乐器（Wind）是一种乐器（Instrument）：

package music;public class Instrument {public void play(Note n) {System.out.println("这是方法Instrument.play");}
}

那么，Wind就可以继承Instrument：

package music;public class Wind extends Instrument { // Wind方法是一种Instrument，它们有相同的接口@Overridepublic void play(Note n) {System.getProperty("这是方法Wind.play() " + n);}
}

现在就可以使用这些子类和基类了：

package music;public class Music {public static void tune(Instrument i) {// ...i.play(Note.MIDDLE_C);}public static void main(String[] args) {Wind flute = new Wind();tune(flute); // 向上转型}
}

虽然Music.tune()方法接收的是一个Instrument的引用，但是也可以接收任何继承了Instrument的类。在上述程序中，Music.tune()就接收了一个Wind类。程序执行的结果是：

在上述程序中，将Wind引用传递给tune()方法不需要任何强制类型转换。因为Instrument中的接口必定存在于Wind中，Wind向上转型是缩小了自己的接口。

忘记对象类型

在向上转型的过程中，会出现如上这种忘记了对象类型的情况。

如果反过来，向上转型无法发生的话，我们就得为系统内每种类型的乐器（Instrument）编写一个tune()方法，这就意味着更多的编程工作，并且在进行重载的管理时，会遇到不少的困难。

package music;class Stringed extends Instrument {@Overridepublic void play(Note n) {System.out.println("这是方法Stringed.play() " + n);}
}class Brass extends Instrument {@Overridepublic void play(Note n) {System.out.println("这是方法Brass.play() " + n);}
}public class Music2 {public static void tune(Stringed i) {i.play(Note.MIDDLE_C);}public static void tune(Brass i) {i.play(Note.MIDDLE_C);}public static void main(String[] args) {Stringed violin = new Stringed();Brass frenchHorn = new Brass();tune(violin);tune(frenchHorn);}
}

如果能够通过编写一个以基类为参数的方式，而不必在意任何的子类，或者说忘记子类的存在，那么整个程序就会变得更加直观和简单。这就是由多态进行实现的工作了。

难点

在上面的例子中，Music.tune()方法接收了一个Wind类型的参数，但这里存在着一个问题：tune()只有一个Instrument类型的参数，这个方法是怎么知道其接收的是一个Wind()类型的参数，而不会是一个Stringed或者是Brass？

public static void tune(Instrument i) { // tune()方法的形式

解答这个问题的关键，就在于绑定。

方法调用绑定

绑定，就是将一个方法调用和一个方法体关联在一起。如果在程序运行之前执行绑定（若存在编译器和链接器，由它们完成），则称之为前期绑定。

与前期绑定相对的，后期绑定意味着绑定发生在运行时，并且基于对象的类型。这种绑定往往会通过某种机制确定对象的类型，并调用恰当的方法（后期绑定的实现会因为语言的不同产生差异，但可以认为，这些机制都需要将某种类型信息放入对象中）。

Java中的所有方法都是后期绑定，除非方法是static或final的（private是隐式的final）。例如，如果把Instrument.play()方法设为final的，那么在编译Music.java时就会报错。

产生正确的行为

利用多态，就可以编写直接与基类互动的代码了。并且所有子类都可以通过这个相同的代码进行正确工作。

在面向对象中，有一个经典的示例：“形状”。这个示例包括基类Shape及其的各种子类：Circle（圆形）、Square（正方形）、Triangle（三角形）等。它们的关系如图所示：

向上转型的实现十分简单：

Shape s = new Circle() // 将Circle向上转型为Shape

这条语句创建了一个Circle对象，并且把这个对象赋给了一个Shape引用。通过继承，Circle被认为是一种Shape。编译器认可这种语句。

现在，假设存在一个基类方法draw()，这一方法在子类中已经进行了重写：

s.draw();

这条语句将不会调用Shape的draw()，由于后期绑定（即多态），Circle.draw()会被正确地调用。

实际上，编译器不需要任何可以让其在编译时进行正确调用的特殊信息。这些都是动态绑定的工作。

可扩展性

多态允许我们向系统内添加任意数量的新类型，而不需要修改基类的方法。在一个设计良好的OOP程序中，许多方法会遵循基类方法的模型，即只与基类接口通信。这样，程序就有了可扩展性。

以之前的乐器（Instrument）为例，可以向其中添加更多的方法和类：

这些后来的新方法可以和旧方法和谐相处。比如原本的tune()方法，它并不需要了解周围的代码变更，而可以正常工作。可以说，多态是程序员“将变化的事物和不变的事物分离”的一项重要技术。

陷阱：“重写”private方法

若在无意之中，我们一个private的方法进行了“重写”，如：

public class PrivateOverride {private void f() {System.out.println("隐藏的f()方法");}public static void main(String[] args) {PrivateOverride po = new Derives();po.f();}
}class Derives extends PrivateOverride {public void f() { // 尝试性的“重写”System.out.println("公开的f()方法");}
}

若没有注意到被重写的方法是private的，我们可能会认为输出的是“公开的f()方法”。但实际上的输出结果是：

这是因为private方法也是final的，这种方法对子类隐藏。所以，在Derived中的f()是一个全新的方法，这个方法没有重载，因为f()的基类版本对Derived而言，是不可见的。所以，只有非private的方法才能被重写。为此，最好在子类中使用与基类的private方法不同的名称。

若使用@Override，就可以发现异常：

    @Override public void f() {System.out.println("公开的f()方法");}

尝试编译，会发生报错：

陷阱：字段与静态方法

与方法调用不同，字段并不存在多态。在直接访问一个字段时，该访问会在编译时解析：

class Super {public int field = 0;public int getField() {return field;}
}class Sub extends Super {public int field = 1;@Overridepublic int getField() {return field;}public int getSuperField() {return super.field;}
}public class FieldAccess {public static void main(String[] args) {Super sup = new Sub(); // 向上转型System.out.println("sup.field = " + sup.field +", sup.getField() = " + sup.getField());Sub sub = new Sub();System.out.println("sub.field = " + sub.field +", sub.getField() = " + sub.getField() +", sub.getSuperField() = " + sub.getSuperField());}
}

程序执行的结果是：

在上述程序中，Sub对象向上转型为Super引用时，其字段访问都会被编译器解析（得到的field字段是属于Super对象的）。因此，这不是多态。

注意：Super.field和Sub.field被分配了不同的存储空间。

因此，Sub实际上包含了两个名称是field的字段：Sub自己的和Super的。而上述例子可以表明，当直接使用Sub.field时，不会获得基类的字段。要使用Super的field，就需要明确使用super.field。

为了防止混淆，一般不会让子类字段和基类字段使用相同的名称。

除了字段，静态方法的行为也不是多态的：

class StaticSuper {public static String staticGet() {return "属于基类的staticGet()方法";}public String dynamicGet() {return "属于基类的dynamicGet()方法";}
}class StaticSub extends StaticSuper {public static String staticGet() { // 静态方法直接与类关联return "派生的staticGet()方法";}@Overridepublic String dynamicGet() {return "派生的dynamicGet()方法";}
}public class StaticPolymorphism {public static void main(String[] args) {StaticSuper sup = new StaticSub();System.out.println(StaticSuper.staticGet());System.out.println(sup.dynamicGet());}
}

程序执行的结果如下：

静态方法直接和类关联，不会与单个的对象关联。

构造器和多态

构造器不同于其他方法，这点在涉及多态时也是如此。构造器是隐式的static方法，理解其在复杂层次结构和多态中的工作方式也很重要。

构造器的调用顺序

基类的构造器总是在子类的构造过程中被调用。这是因为构造器需要保证对象的正确调用。由于字段通常是private的，因此一般必须假设子类只能访问自己的成员，而不能访问基类的成员。通过一个例子展示组合、继承及多态对构造顺序的影响：

class Meal {Meal() {System.out.println("构造器Meal()");}
}class Bread {Bread() {System.out.println("构造器Bread()");}
}class Cheese {Cheese() {System.out.println("构造器Cheese()");}
}class Lettuce {Lettuce() {System.out.println("构造器Lettuce()");}
}class Lunch extends Meal {Lunch() {System.out.println("构造器Lunch()");}
}class PortableLunch extends Lunch {PortableLunch() {System.out.println("构造器PortableLunch()");}
}public class Sandwich extends PortableLunch {private Bread b = new Bread();private Cheese c = new Cheese();private Lettuce l = new Lettuce();public Sandwich() {System.out.println("构造器SandWich()");}public static void main(String[] args) {new Sandwich();}
}

程序执行的结果是：

根据上述的输出结果，可以得出一个复杂对象的构造器调用顺序：

基类的构造器被调用：
1. 重复调用基类构造器，直到到达根基类。
2. 根基类构造完毕，构造根基类的子类。
3. 以此类推，直到最底层的子类构造完毕。
然后，按声明的顺序初始化成员。
最后，执行子类构造器的方法体。

构造器的调用顺序是十分重要的。如果能够理清上述的顺序，就可以假定在子类中，基类的所有成员都是有效的。

为了使得所有成员在构造器中都是有效的，应该在类的定义处（如上述的b、c和l）来初始化所有的成员对象。

继承和清理

大多时候，Java的清理可以交给垃圾收集器来处理。但若确有清理的必要，就需要为自己创建的新类创建一个清理方法（方法名可以自拟，本篇章中统一使用dispose()方法表示）。

在继承时，若有特殊清理必须作为垃圾收集的一部分，那么也应该在子类中重写dispose()方法来执行该操作。并且，记住要调用基类的dispose()。

class Characteristic {private String s;Characteristic(String s) {this.s = s;System.out.println("特征创建：" + s);}protected void dispose() {System.out.println("特征清理：" + s);}
}class Description {private String s;Description(String s) {this.s = s;System.out.println("特征创建：" + s);}protected void dispose() {System.out.println("特征清理：" + s);}
}class LivingCreature {private Characteristic p = new Characteristic("有活力的");private Description t = new Description("是一个活着的生物");LivingCreature() {System.out.println("构造器LivingCreature()");}protected void dispose() {System.out.println("清理LivingCreature");t.dispose();p.dispose();}
}class Animal extends LivingCreature {private Characteristic p = new Characteristic("有一颗心脏");private Description t = new Description("是动物而不是植物");Animal() {System.out.println("构造器Animal()");}@Overrideprotected void dispose() {t.dispose();p.dispose();super.dispose();}
}class Amphibian extends Animal {private Characteristic p = new Characteristic("能在水中生存");private Description t = new Description("水陆两栖");Amphibian() {System.out.println("构造器Amphibian()");}@Overrideprotected void dispose() {System.out.println("清理Amphibian");t.dispose();p.dispose();super.dispose();}
}public class Frog extends Amphibian {private Characteristic p = new Characteristic("呱呱叫");private Description t = new Description("吃虫子");public Frog() {System.out.println("构造器Frog()");}@Overrideprotected void dispose() {t.dispose();p.dispose();super.dispose();}public static void main(String[] args) {Frog frog = new Frog();System.out.println("结束");System.out.println();frog.dispose();}
}

上述程序执行的结果是：

上述程序中，清理的顺序刚好和初始化顺序相反。对于字段而言，这意味着与声明顺序相反（字段是按顺序初始化的）。对于基类，首先进行子类的清理，然后再进行基类的清理。

Frog对象拥有其余的成员对象，并且能够控制对这些成员的清理。但是，如果其中的某个成员被其他成员共享，情况就会变得更加复杂，此时不能简单地调用dispose()。一个方法是使用引用计数的方式。例如：

class Shared {private int refcount = 0;private static long counter = 0;private final long id = counter++;Shared() {System.out.println("创建：" + this);}public void addRef() {refcount++;}protected void dispose() {if (--refcount == 0)System.out.println("清理：" + this);}@Overridepublic String toString() {return "Shared " + id;}
}class Compsoing {private Shared shared;private static long counter = 0;private final long id = counter++;Compsoing(Shared shared) {System.out.println("创建：" + this);this.shared = shared;this.shared.addRef();}protected void dispose() {System.out.println("清理：" + this);shared.dispose();}@Overridepublic String toString() {return "Composing " + id;}
}public class ReferenCounting {public static void main(String[] args) {Shared shared = new Shared();Compsoing[] compsoings = {new Compsoing(shared),new Compsoing(shared),new Compsoing(shared),new Compsoing(shared),new Compsoing(shared)};System.out.println();for (Compsoing c : compsoings) {c.dispose();}}
}

程序执行的结果如下：

对于这个程序而言，如果想要在类中使用共享对象，就需要调用addRef()。通过这种方式进行引用计数的跟踪，以此来判断是否进行清理。

构造器内部的多态方法行为

对一个普通的方法而言，动态绑定调用是在运行时解析的。这是为了确定被调用的方法到底属于子类还是基类。

若在一个构造器内部调用动态绑定方法，就会得到该方法被重写后的定义。由于此时对象还没有被构造完毕，这个被重写的方法可能会带来一些难以被发现的错误。

构造器用于对象的创建工作，因此在构造器中，对象往往处于部分形成的状态，只有基类对象是已知被初始化的。若正在构造一个子类对象，那么当其基类构造器被调用时，这一子类对象还没有被全部初始化。但是，动态绑定可以跳出这一层次，直接调用子类（还未被初始化完毕的）中的方法。

这就是一个有问题的例子：

class Glyph {void draw() {System.out.println("方法Glyph.draw()");}Glyph() {System.out.println("构造器Glyph：在调用draw()之前");draw();System.out.println("构造器Glyph：在调用draw()之后");}
}class RoundGlyph extends Glyph {private int radius = 1;RoundGlyph(int r) {radius = r;System.out.println("调用构造器RoundGlyph()，radius = " + radius);}@Overridevoid draw() {System.out.println("调用方法RoundGlyph.draw()，radius = " + radius);}
}public class PolyConstructors {public static void main(String[] args) {new RoundGlyph(5);}
}

程序运行的结果如下：

上述程序中，Glyph.draw()是为了重写而设计的方法，重写发生在RoundGlyph中。但Glyph()调用了该方法，实际上被调用的是RoundGlyph.draw()。或许有些人确实想要这个效果，但除此之外，红框所指的部分中，radius的值很明显是不对的。这就是初始化不完整导致的。

补充并复习一下初始化的顺序：

在所有动作发生之前，为对象分配的储存空间会被初始化为二进制零。
基类构造器按层次被调用。此时被重写的draw()方法会被调用，而由于第1步的关系，radius是0。
按声明顺序初始化成员。
执行子类构造器的主体代码。

这就是为什么上述程序会出现问题。

在编写构造器时的一个准则：使用尽可能少的操作使对象进入正常状态，并尽可能避免调用此类中的任何其他方法。

注意：只有基类中的final方法（及隐式的final，private方法）可以在构造器中被安全调用。

协变返回类型

Java 5加入的协变返回类型，使得子类中重写方法的返回值可以是基类方法返回值的子类型：

class Grain {@Overridepublic String toString() {return "Grain";}
}class Wheat extends Grain {@Overridepublic String toString() {return "Wheat";}
}class Mill {Grain process() {return new Grain();}
}class WheatMill extends Mill {@OverrideWheat process() {return new Wheat();}
}public class CovariantReturn {public static void main(String[] args) {Mill m = new Mill();Grain g = m.process();System.out.println(g);m = new WheatMill();g = m.process();System.out.println(g);}
}

程序执行的结果是：

协变返回类型允许process()的重写版本返回Wheat引用。但是在Java 5之前，process()会被强制要求返回Grain。也就是说，协变返回类型允许更具体的Wheat返回类型。

使用继承的设计

事实上，在创建新类时，更好的选择是使用组合。因为组合不会强制要求程序设计使用继承层次结构，它更加灵活，可以动态选择类型（和随后的行动），而继承在编译时就需要知道确定的类型。例如：

class Actor {public void act() {}
}class HappyActor extends Actor {@Overridepublic void act() {System.out.println("HappyActor");}
}class SadActor extends Actor {@Overridepublic void act() {System.out.println("SadActor");}
}class Stage {private Actor actor = new HappyActor();public void change() {actor = new SadActor();}public void performPlay() {actor.act();}
}public class Transmogrify {public static void main(String[] args) {Stage stage = new Stage();stage.performPlay();stage.change();stage.performPlay();}
}

程序执行的结果是：

上述的Stage.performPlay()会根据引用的不同而产生不同的行为，因为引用可以在运行时绑定到不同的对象上。这就在运行中获得了动态灵活性（状态模式）。相反，不能在运行时决定使用不同的方式进行继承。

通用的原则：使用继承表达行为上的差异，使用字段表达状态的变化。

替换和扩展

在继承中，最简洁的关系是“is-a”关系，即只有来自基类的方法会在子类中被重写：

在这种方法中，子类的接口不会比基类的多。这时，使用子类对象不会需要额外的信息。完全相同的接口使得基类可以接收任何发送给子类的信息。

但是，在一些时候我们会需要通过扩展接口来解决特定问题。这种关系被称为“is-like-a”，也就是说，子类像基类——子类拥有和基类相同的基本接口，同时也有用于实现特性的额外方法。

这种扩展的部分在基类中是不可用的。因此，一旦发生向上转型，就无法调用这些扩展方法了：

向下转型和反射

在进行向上转型时会丢失特定类型的信息，此时就可以通过向下转型来重新获取类型信息，即在继承层次结构中向下移动。

尽管向上转型是安全的，因为基类只有那些通用的接口。但是向下转型却不一样，这是有危险的。

打个比方，我们实际上无法知道一个形状是不是一个圆形。因为这个形状也可以是正方形、三角形或是其他类型。

为此，就必须要有某种方法来保证向下转型的安全性。在Java中，每次的转型都会被检查。即使只是一次最普通的强制类型转换，都会在运行时被检查。这种运行时检查类型的行为是Java反射的一部分。

class Useful {public void f() {}public void g() {}
}class MoreUseful extends Useful {@Overridepublic void f() {}@Overridepublic void g() {}public void u() {}public void v() {}public void w() {}
}public class Reflect {public static void main(String[] args) {Useful[] x = {new Useful(),new MoreUseful()};x[0].f();x[1].g();// 下方这行语句触发编译时错误：无法在Useful中找到对应方法// x[1].u();((MoreUseful) x[1]).u(); // 向下转型，触发反射((MoreUseful) x[0]).u(); // 该条语句会抛出运行时异常}
}

编译正常通过，但是若试图运行该程序，会发生异常：