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第15節我們介紹了繼承和多型的基本概念，而上節我們進一步介紹了繼承的一些細節，本節我們通過一個例子，來介紹繼承實現的基本原理。需要說明的是，本節主要從概念上來介紹原理，實際實現細節可能與此不同。
例子
這是基類程式碼：
public class Base {
public static int s;
private int a;
static {
System.out.println("基類靜態程式碼塊, s: "+s);
s = 1;
}
{
System.out.println("基類例項程式碼塊, a: "+a);
a = 1;
}
public Base(){
System.out.println("基類構造方法, a: "+a);
a = 2;
}
protected void step(){
System.out.println("base s: " + s +", a: "+a);
}
public void action(){
System.out.println("start");
step();
System.out.println("end");
}
}
複製程式碼Base包括一個靜態變數s，一個例項變數a，一段靜態初始化程式碼塊，一段例項初始化程式碼塊，一個構造方法，兩個方法step和action。
這是子類程式碼：
public class Child extends Base {
public static int s;
private int a;
static {
System.out.println("子類靜態程式碼塊, s: "+s);
s = 10;
}
{
System.out.println("子類例項程式碼塊, a: "+a);
a = 10;
}
public Child(){
System.out.println("子類構造方法, a: "+a);
a = 20;
}
protected void step(){
System.out.println("child s: " + s +", a: "+a);
}
}
複製程式碼Child繼承了Base，也定義了和基類同名的靜態變數s和例項變數a，靜態初始化程式碼塊，例項初始化程式碼塊，構造方法，重寫了方法step。
這是使用的程式碼：
public static void main(String[] args) {
System.out.println("---- new Child()");
Child c = new Child();
System.out.println("\n---- c.action()");
c.action();
Base b = c;
System.out.println("\n---- b.action()");
b.action();
System.out.println("\n---- b.s: " + b.s);
System.out.println("\n---- c.s: " + c.s);
}
複製程式碼建立了Child型別的物件，賦值給了Child型別的引用變數c，通過c呼叫action方法，又賦值給了Base型別的引用變數b，通過b也呼叫了action，最後通過b和c訪問靜態變數s並輸出。這是螢幕的輸出結果：
---- new Child()
基類靜態程式碼塊, s: 0
子類靜態程式碼塊, s: 0
基類例項程式碼塊, a: 0
基類構造方法, a: 1
子類例項程式碼塊, a: 0
子類構造方法, a: 10
---- c.action()
start
child s: 10, a: 20
end
---- b.action()
start
child s: 10, a: 20
end
---- b.s: 1
---- c.s: 10
複製程式碼下面我們來解釋一下背後都發生了一些什麼事情，從類的載入開始。
類的載入
在Java中，所謂類的載入是指將類的相關資訊載入到記憶體。在Java中，類是動態載入的，當第一次使用這個類的時候才會載入，載入一個類時，會檢視其父類是否已載入，如果沒有，則會載入其父類。
一個類的資訊主要包括以下部分：
- 類變數（靜態變數）
- 類初始化程式碼
- 類方法（靜態方法）
- 例項變數
- 例項初始化程式碼
- 例項方法
- 父類資訊引用
類初始化程式碼包括：
- 定義靜態變數時的賦值語句
- 靜態初始化程式碼塊
例項初始化程式碼包括：
- 定義例項變數時的賦值語句
- 例項初始化程式碼塊
- 構造方法
類載入過程包括：
- 分配記憶體儲存類的資訊
- 給類變數賦預設值
- 載入父類
- 設定父子關係
- 執行類初始化程式碼
需要說明的是，關於類初始化程式碼，是先執行父類的，再執行子類的，不過，父類執行時，子類靜態變數的值也是有的，是預設值。對於預設值，我們之前說過，數字型變數都是0，boolean是false，char是'\u0000'，引用型變數是null。
之前我們說過，記憶體分為棧和堆，棧存放函式的區域性變數，而堆存放動態分配的物件，還有一個記憶體區，存放類的資訊，這個區在Java中稱之為方法區。
載入後，對於每一個類，在Java方法區就有了一份這個類的資訊，以我們的例子來說，有三份類資訊，分別是Child，Base，Object，記憶體示意圖如下：
我們用class_init()來表示類初始化程式碼，用instance_init()表示例項初始化程式碼，例項初始化程式碼包括了例項初始化程式碼塊和構造方法。例子中只有一個構造方法，實際中可能有多個例項初始化方法。
本例中，類的載入大概就是在記憶體中形成了類似上面的佈局，然後分別執行了Base和Child的類初始化程式碼。接下來，我們看物件建立的過程。
建立物件
在類載入之後，new Child()就是建立Child物件，建立物件過程包括：
- 分配記憶體
- 對所有例項變數賦預設值
- 執行例項初始化程式碼
分配的記憶體包括本類和所有父類的例項變數，但不包括任何靜態變數。例項初始化程式碼的執行從父類開始，先執行父類的，再執行子類的。但在任何類執行初始化程式碼之前，所有例項變數都已設定完預設值。
每個物件除了儲存類的例項變數之外，還儲存著實際類資訊的引用。
Child c = new Child();會將新建立的Child物件引用賦給變數c，而Base b = c;會讓b也引用這個Child物件。建立和賦值後，記憶體佈局大概如下圖所示：
引用型變數c和b分配在棧中，它們指向相同的堆中的Child物件，Child物件儲存著方法區中Child型別的地址，還有Base中的例項變數a和Child中的例項變數a。建立了物件，接下來，來看方法呼叫的過程。
方法呼叫
我們先來看c.action();這句程式碼的執行過程是：
- 檢視c的物件型別，找到Child型別，在Child型別中找action方法，發現沒有，到父類中尋找
- 在父類Base中找到了方法action，開始執行action方法
- action先輸出了start，然後發現需要呼叫step()方法，就從Child型別開始尋找step方法
- 在Child型別中找到了step()方法，執行Child中的step()方法，執行完後返回action方法
- 繼續執行action方法，輸出end
尋找要執行的例項方法的時候，是從物件的實際型別資訊開始查詢的，找不到的時候，再查詢父類型別資訊。
我們來看b.action();，這句程式碼的輸出和c.action是一樣的，這稱之為動態繫結，而動態繫結實現的機制，就是根據物件的實際型別查詢要執行的方法，子型別中找不到的時候再查詢父類。這裡，因為b和c指向相同的物件，所以執行結果是一樣的。
如果繼承的層次比較深，要呼叫的方法位於比較上層的父類，則呼叫的效率是比較低的，因為每次呼叫都要進行很多次查詢。大多數系統使用一種稱為虛方法表的方法來優化呼叫的效率。
虛方法表
所謂虛方法表，就是在類載入的時候，為每個類建立一個表，這個表包括該類的物件所有動態繫結的方法及其地址，包括父類的方法，但一個方法只有一條記錄，子類重寫了父類方法後只會保留子類的。
對於本例來說，Child和Base的虛方法表如下所示：
對Child型別來說，action方法指向Base中的程式碼，toString方法指向Object中的程式碼，而step()指向本類中的程式碼。
這個表在類載入的時候生成，當通過物件動態繫結方法的時候，只需要查詢這個表就可以了，而不需要挨個查詢每個父類。
接下來，我們看對變數的訪問。
變數訪問
對變數的訪問是靜態繫結的，無論是類變數還是例項變數。程式碼中演示的是類變數：b.s和c.s，通過物件訪問類變數，系統會轉換為直接訪問類變數Base.s和Child.s。
例子中的例項變數都是private的，不能直接訪問，如果是public的，則b.a訪問的是物件中Base類定義的例項變數a，而c.a訪問的是物件中Child類定義的例項變數a。
小結
本節，我們通過一個例子，介紹了類的載入、物件建立、方法呼叫以及變數訪問的內部過程。現在，我們應該對繼承的實現有了一個比較清楚的理解。
之前我們提到過，繼承其實是把雙刃劍，為什麼這麼說呢？讓我們下節來探討。
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