計算機程式的思維邏輯 (15) - 初識繼承和多型

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繼承

上節我們談到，將現實中的概念對映為程式中的概念，我們談了類以及類之間的組合，現實中的概念間還有一種非常重要的關係，就是分類，分類有個根，然後向下不斷細化，形成一個層次分類體系。這種例子是非常多的：

在自然世界中，生物有動物和植物，動物有不同的科目，食肉動物、食草動物、雜食動物等，食肉動物有狼、狗、虎等，這些又分為不同的品種 ...

開啟電商網站，在顯著位置一般都有分類列表，比如家用電器、服裝，服裝有女裝、男裝，男裝有襯衫、牛仔褲等 ...

計算機程式經常使用類之間的繼承關係來表示物件之間的分類關係。在繼承關係中，有父類和子類，比如動物類Animal和狗類Dog，Animal是父類，Dog是子類。父類也叫基類，子類也叫派生類，父類子類是相對的，一個類B可能是類A的子類，是類C的父類。

之所以叫繼承是因為，子類繼承了父類的屬性和行為，父類有的屬性和行為，子類都有。但子類可以增加子類特有的屬性和行為，某些父類有的行為，子類的實現方式可能與父類也不完全一樣。

使用繼承一方面可以複用程式碼，公共的屬性和行為可以放到父類中，而子類只需要關注子類特有的就可以了，另一方面，不同子類的物件可以更為方便的被統一處理。

本節主要通過圖形處理中的一些簡單例子來介紹Java中的繼承，會介紹繼承的基本概念，關於繼承更深入的討論和實現原理，我們在後續章節介紹。

Object

在Java中，所有類都有一個父類，即使沒有宣告父類，也有一個隱含的父類，這個父類叫Object。Object沒有定義屬性，但定義了一些方法，如下圖所示：

本節我們會介紹toString()方法，其他方法我們會在後續章節中逐步介紹。toString()方法的目的是返回一個物件的文字描述，這個方法可以直接被所有類使用。

比如說，對於我們之前介紹的Point類，可以這樣使用toString方法：

Point p = new Point(2,3);
System.out.println(p.toString()); 
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輸出類似這樣：

Point@76f9aa66
複製程式碼

這是什麼意思呢？@之前是類名，@之後的內容是什麼呢？我們來看下toString的程式碼：

public String toString() {
    return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}
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getClass().getName() 返回當前物件的類名，hashCode()返回一個物件的雜湊值，雜湊我們會在後續章節中介紹，這裡可以理解為是一個整數，這個整數預設情況下，通常是對 象的記憶體地址值，Integer.toHexString(hashCode())返回這個雜湊值的16進製表示。

為什麼要這麼寫呢？寫類名是可以理解的，表示物件的型別，而寫雜湊值則是不得已的，因為Object類並不知道具體物件的屬性，不知道怎麼用文字描述，但又需要區分不同物件，只能是寫一個雜湊值。

但子類是知道自己的屬性的，子類可以重寫父類的方法，以反映自己的不同實現。所謂重寫，就是定義和父類一樣的方法，並重新實現。

Point類 - 重寫toString()

我們再來看下Point類，這次我們重寫了toString()方法。

public class Point {
    private int x;
    private int y;
    
    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public double distance(Point point){
        return Math.sqrt(Math.pow(this.x-point.getX(),2)
                +Math.pow(this.y-point.getY(), 2));
    }
    
    public int getX() {
        return x;
    }
    
    public int getY() {
        return y;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "("+x+","+y+")";
    }
}
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toString方法前面有一個 @Override，這表示toString這個方法是重寫的父類的方法，重寫後的方法返回Point的x和y座標的值。重寫後，將呼叫子類的實現。比如，如下程式碼的輸出就變成了：(2,3)

Point p = new Point(2,3);
System.out.println(p.toString());
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圖形處理類

接下來，我們以一些圖形處理中的例子來進一步解釋，先來看幅圖：

這都是一些基本的圖形，圖形有線、正方形、三角形、圓形等，圖形有不同的顏色。接下來，我們定義以下類來說明關於繼承的一些概念：

• 父類Shape，表示圖形。
• 類Circle，表示圓。
• 類Line，表示直線。
• 類ArrowLine，表示帶箭頭的直線。

圖形 (Shape)

所有圖形都有一個表示顏色的屬性，有一個表示繪製的方法，下面是程式碼：

public class Shape {
    private static final String DEFAULT_COLOR = "black";
    
    private String color;
    
    public Shape() {
        this(DEFAULT_COLOR);
    }

    public Shape(String color) {
        this.color = color;
    }
    
    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }
    
    public void draw(){
        System.out.println("draw shape");
    }
}
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以上程式碼基本沒什麼可解釋的，例項變數color表示顏色，draw方法表示繪製，我們不會寫實際的繪製程式碼，主要是演示繼承關係。

圓 (Circle)

圓繼承自Shape，但包括了額外的屬性，中心點和半徑，以及額外的方法area，用於計算面積，另外，重寫了draw方法，程式碼如下：

public class Circle extends Shape {
    //中心點
    private Point center;
    
    //半徑
    private double r; 

    public Circle(Point center, double r) {
        this.center = center;
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("draw circle at "
                +center.toString()+" with r "+r
                +", using color : "+getColor());    
    }
    
    public double area(){
        return Math.PI*r*r;
    }
}
複製程式碼

說明幾點：

• Java使用extends關鍵字標明繼承關係，一個類最多隻能有一個父類。
• 子類不能直接訪問父類的私有屬性和方法，比如，在Circle中，不能直接訪問shape的私有例項變數color。
• 除了私有的外，子類繼承了父類的其他屬性和方法，比如，在Circle的draw方法中，可以直接呼叫getColor()方法。

看下使用它的程式碼：

public static void main(String[] args) {
    Point center = new Point(2,3);
    //建立圓，賦值給circle
    Circle circle = new Circle(center,2);
    //呼叫draw方法，會執行Circle的draw方法
    circle.draw();
    //輸出圓面積
    System.out.println(circle.area());
}
複製程式碼

程式的輸出為：

draw circle at (2,3) with r 2.0, using color : black
12.566370614359172
複製程式碼

這裡比較奇怪的是，color是什麼時候賦值的？在new的過程中，父類的構造方法也會執行，且會優先於子類先執行。在這個例子中，父類Shape的預設構造方法會在子類Circle的構造方法之前執行。關於new過程的細節，我們會在後續章節進一步介紹。

直線 (Line)

線繼承自Shape，但有兩個點，有一個獲取長度的方法，另外，重寫了draw方法，程式碼如下：

public class Line extends Shape {
    private Point start;
    private Point end;
    
    public Line(Point start, Point end, String color) {
        super(color);
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    public double length(){
        return start.distance(end);
    }
    
    public Point getStart() {
        return start;
    }

    public Point getEnd() {
        return end;
    }
    
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("draw line from "
                + start.toString()+" to "+end.toString()
                + ",using color "+super.getColor());
    }
}
複製程式碼

這裡我們要說明的是super這個關鍵字，super用於指代父類，可用於呼叫父類構造方法，訪問父類方法和變數：

• 在line構造方法中，super(color)表示呼叫父類的帶color引數的構造方法，呼叫父類構造方法時，super(...)必須放在第一行。
• 在draw方法中，super.getColor()表示呼叫父類的getColor方法，當然不寫super.也是可以的，因為這個方法子類沒有同名的，沒有歧義，當有歧義的時候，通過super.可以明確表示呼叫父類的。
• super同樣可以引用父類非私有的變數。

可以看出，super的使用與this有點像，但super和this是不同的，this引用一個物件，是實實在在存在的，可以作為函式引數，可以作為返回值，但super只是一個關鍵字，不能作為引數和返回值，它只是用於告訴編譯器訪問父類的相關變數和方法。

帶箭頭直線 (ArrowLine)

帶箭頭直線繼承自Line，但多了兩個屬性，分別表示兩端是否有箭頭，也重寫了draw方法，程式碼如下：

public class ArrowLine extends Line {
    
    private boolean startArrow;
    private boolean endArrow;
    
    public ArrowLine(Point start, Point end, String color, 
            boolean startArrow, boolean endArrow) {
        super(start, end, color);
        this.startArrow = startArrow;
        this.endArrow = endArrow;
    }

    @Override
    public void draw() {
        super.draw();
        if(startArrow){
            System.out.println("draw start arrow");
        }
        if(endArrow){
            System.out.println("draw end arrow");
        }
    }
}
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ArrowLine繼承自Line，而Line繼承自Shape，ArrowLine的物件也有Shape的屬性和方法。

注意draw方法的第一行，super.draw()表示呼叫父類的draw()方法，這時候不帶super.是不行的，因為當前的方法也叫draw()。

需要說明的是，這裡ArrowLine繼承了Line，也可以直接在類Line里加上屬性，而不需要單獨設計一個類ArrowLine，這裡主要是演示繼承的層次性。

圖形管理器

使用繼承的一個好處是可以統一處理不同子型別的物件，比如說，我們來看一個圖形管理者類，它負責管理畫板上的所有圖形物件並負責繪製，在繪製程式碼中，只需要將每個物件當做Shape並呼叫draw方法就可以了，系統會自動執行子類的draw方法。程式碼如下：

public class ShapeManager {
    private static final int MAX_NUM = 100;
    private Shape[] shapes = new Shape[MAX_NUM];
    private int shapeNum = 0;
    
    public void addShape(Shape shape){
        if(shapeNum<MAX_NUM){
            shapes[shapeNum++] = shape;    
        }
    }
    
    public void draw(){
        for(int i=0;i<shapeNum;i++){
            shapes[i].draw();
        }
    }
}
複製程式碼

ShapeManager使用一個陣列儲存所有的shape，在draw方法中呼叫每個shape的draw方法。ShapeManager並不知道每個shape具體的型別，也不關心，但可以呼叫到子類的draw方法。

我們來看下使用ShapeManager的一個例子：

public static void main(String[] args) {
    ShapeManager manager = new ShapeManager();
    
    manager.addShape(new Circle(new Point(4,4),3));
    manager.addShape(new Line(new Point(2,3),
            new Point(3,4),"green"));
    manager.addShape(new ArrowLine(new Point(1,2), 
            new Point(5,5),"black",false,true));
    
    manager.draw();
}
複製程式碼

新建了三個shape，分別是一個圓、直線和帶箭頭的線，然後加到了shape manager中，然後呼叫manager的draw方法。

需要說明的是，在addShape方法中，引數Shape shape，宣告的型別是Shape，而實際的型別則分別是Circle，Line和ArrowLine。子類物件賦值給父類引用變數，這叫向上轉型，轉型就是轉換型別，向上轉型就是轉換為父類型別。

變數shape可以引用任何Shape子類型別的物件，這叫多型，即一種型別的變數，可引用多種實際型別物件。這樣，對於變數shape，它就有兩個型別，型別Shape，我們稱之為shape的靜態型別，型別Circle/Line/ArrowLine，我們稱之為shape的動態型別。在ShapeManager的draw方法中，shapes[i].draw()呼叫的是其對應動態型別的draw方法，這稱之為方法的動態繫結。

為什麼要有多型和動態繫結呢？建立物件的程式碼 (ShapeManager以外的程式碼）和操作物件的程式碼(ShapeManager本身的程式碼），經常不在一起，操作物件的程式碼往往只知道物件是某種父型別，也往往只需要知道它是某種父型別就可以了。

可以說，多型和動態繫結是計算機程式的一種重要思維方式，使得操作物件的程式不需要關注物件的實際型別，從而可以統一處理不同物件，但又能實現每個物件的特有行為。後續章節我們會進一步介紹動態繫結的實現原理。

小結

本節介紹了繼承和多型的基本概念：

• 每個類有且只有一個父類，沒有宣告父類的其父類為Object，子類繼承了父類非private的屬性和方法，可以增加自己的屬性和方法，可以重寫父類的方法實現。
• new過程中，父類先進行初始化，可通過super呼叫父類相應的構造方法，沒有使用super的話，呼叫父類的預設構造方法。
• 子類變數和方法與父類重名的情況下，可通過super強制訪問父類的變數和方法。
• 子類物件可以賦值給父類引用變數，這叫多型，實際執行呼叫的是子類實現，這叫動態繫結。

但關於繼承，還有很多細節，比如例項變數重名的情況。另外，繼承雖然可以複用程式碼，便於統一處理不同子類的物件，但繼承其實是把雙刃劍，使用不當，也有很多問題。讓我們下節來討論這些問題，而關於繼承和多型的實現原理，讓我們再下節來討論。

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