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Java编程思想(第四版)继承

2020-09-11 06:00:24 作者：互联网

对象这种观念，本身就是十分方便的工具，使得你可以通过概念将数据和功能封装到一起，因此可以对问题空间的观念给出恰当的表示，而不用受制于必须使用底层机器语言。这些概念用关键字class来表示，它们形成了编程语言中的基本单位。

遗憾的是，这样做还是有很多麻烦：在创建了一个类之后，即使另一个新类与其具有相似的功能，你还是得重新创建一个新类。如果我们能够以现有的类为基础，复制它，然后通过添加和修改这个副本来创建新类那就要好多了。通过继承便可以达到这样的效果，不过也有例外，当源类（被称为基类、超类或父类）发生变动时，被修改的“副本”（被称为导出类、继承类或子类）也会反映出这些变动（如图所示）。

（这张UML图中的箭头从导出类指向基类，就像稍后你会看到的，通常会存在一个以上的导出类。）

类型不仅仅只是描述了作用于一个对象集合上的约束条件，同时还有与其他类型之间的关系。两个类型可以有相同的特性和行为，但是其中一个类型可能比另一个含有更多的特性，并且可以处理更多的消息（或以不同的方式来处理消息）。继承使用基类型和导出类型的概念表示了这种类型之间的相似性。一个基类型包含其所有导出类型所共享的特性和行为。可以创建一个基类型来表示系统中某些对象的核心概念，从基类型中导出其他类型，来表示此核心可以被实现的各种不同方式。

以垃圾回收机为例，它用来归类散落的垃圾。“垃圾”是基类型，每一件垃圾都有重量、价值等特性，可以被切碎、熔化或分解。在此基础上，可以通过添加额外的特性（例如瓶子有颜色）或行为（例如铝罐可以被压碎，铁罐可以被磁化）导出更具体的垃圾类型。此外，某些行为可能不同（例如纸的价值取决于其类型和状态）。可以通过使用继承来构建一个类型层次结构，以此来表示待求解的某种类型的问题。

第二个例子是经典的几何形的例子，这在计算机辅助设计系统或游戏仿真系统中可能被用到。基类是几何形，每一个几何形都具有尺寸、颜色、位置等，同时每一个几何形都可以被绘制、擦除、移动和着色等。在此基础上，可以导出（继承出）具体的几何形状—圆形、正方形、三角形等—每一种都具有额外的特性和行为，例如某些形状可以被翻转。某些行为可能并不相同，例如计算几何形状的面积。类型层次结构同时体现了几何形状之间的相似性和差异性（如图所示）。

以同样的术语将解决方案转换成问题是大有裨益的，因为不需要在问题描述和解决方案描述之间建立许多中间模型。通过使用对象，类型层次结构成为了主要模型，因此，可以直接从真实世界中对系统的描述过渡到用代码对系统进行描述。事实上，对使用面向对象设计的人们来说，困难之一是从开始到结束过于简单。对于训练有素、善于寻找复杂的解决方案的头脑来说，可能会在一开始被这种简单性给难倒。

当继承现有类型时，也就创造了新的类型。这个新的类型不仅包括现有类型的所有成员（尽管private成员被隐藏了起来，并且不可访问），而且更重要的是它复制了基类的接口。也就是说，所有可以发送给基类对象的消息同时也可以发送给导出类对象。由于通过发送给类的消息的类型可知类的类型，所以这也就意味着导出类与基类具有相同的类型。在前面的例子中，“一个圆形也就是一个几何形”。通过继承而产生的类型等价性是理解面向对象程序设计方法内涵的重要门槛。

由于基类和导出类具有相同的基础接口，所以伴随此接口的必定有某些具体实现。也就是说，当对象接收到特定消息时，必须有某些代码去执行。如果只是简单地继承一个类而并不做其他任何事，那么在基类接口中的方法将会直接继承到导出类中。这意味着导出类的对象不仅与基类拥有相同的类型，而且还拥有相同的行为，这样做没有什么特别意义。

有两种方法可以使基类与导出类产生差异。第一种方法非常直接：直接在导出类中添加新方法。这些新方法并不是基类接口的一部分。这意味着基类不能直接满足你的所有需求，因此必需添加更多的方法。这种对继承简单而基本的使用方式，有时对问题来说确实是一种完美的解决方式。但是，应该仔细考虑是否存在基类也需要这些额外方法的可能性。这种设计的发现与迭代过程在面向对象程序设计中会经常发生（如图所示）。

虽然继承有时可能意味着在接口中添加新方法（尤其是在以extends关键字表示继承的Java中），但并非总需如此。第二种也是更重要的一种使导出类和基类之间产生差异的方法是改变现有基类的方法的行为，这被称之为覆盖（overriding）那个方法（如图所示）。

要想覆盖某个方法，可以直接在导出类中创建该方法的新定义即可。你可以说：“此时，我正在使用相同的接口方法，但是我想在新类型中做些不同的事情。”

1.6.1 “是一个”与“像是一个”关系

对于继承可能会引发某种争论：继承应该只覆盖基类的方法（而并不添加在基类中没有的新方法）吗？如果这样做，就意味着导出类和基类是完全相同的类型，因为它们具有完全相同的接口。结果可以用一个导出类对象来完全替代一个基类对象。这可以被视为纯粹替代，通常称之为替代原则。在某种意义上，这是一种处理继承的理想方式。我们经常将这种情况下的基类与导出类之间的关系称为is-a（是一个）关系，因为可以说“一个圆形就是一个几何形状”。判断是否继承，就是要确定是否可以用is-a来描述类之间的关系，并使之具有实际意义。

有时必须在导出类型中添加新的接口元素，这样也就扩展了接口。这个新的类型仍然可以替代基类，但是这种替代并不完美，因为基类无法访问新添加的方法。这种情况我们可以描述为is-like-a（像是一个）关系。新类型具有旧类型的接口，但是它还包含其他方法，所以不能说它们完全相同。以空调为例，假设房子里已经布线安装好了所有的冷气设备的控制器，也就是说，房子具备了让你控制冷气设备的接口。想像一下，如果空调坏了，你用一个既能制冷又能制热的热力泵替换了它，那么这个热力泵就is-like-a空调，但是它可以做更多的事。因为房子的控制系统被设计为只能控制冷气设备，所以它只能和新对象中的制冷部分进行通信。尽管新对象的接口已经被扩展了，但是现有系统除了原来接口之外，对其他东西一无所知。

当然，在看过这个设计之后，很显然会发现，制冷系统这个基类不够一般化，应该将其更名为“温度控制系统”，使其可以包括制热功能，这样我们就可以套用替代原则了。这张图说明了在真实世界中进行设计时可能会发生的事情。

当你看到替代原则时，很容易会认为这种方式（纯粹替代）是唯一可行的方式，而且事实上，用这种方式设计是很好的。但是你会时常发现，同样显然的是你必须在导出类的接口中添加新方法。只要仔细审视，两种方法的使用场合应该是相当明显的。

1.7 伴随多态的可互换对象

在处理类型的层次结构时，经常想把一个对象不当作它所属的特定类型来对待，而是将其当作其基类的对象来对待。这使得人们可以编写出不依赖于特定类型的代码。在“几何形”的例子中，方法操作的都是泛化（generic）的形状，而不关心它们是圆形、正方形、三角形还是其他什么尚未定义的形状。所有的几何形状都可以被绘制、擦除和移动，所以这些方法都是直接对一个几何形对象发送消息；它们不用担心对象将如何处理消息。

这样的代码是不会受添加新类型影响的，而且添加新类型是扩展一个面向对象程序以便处理新情况的最常用方式。例如，可以从“几何形”中导出一个新的子类型“五角形”，而并不需要修改处理泛化几何形状的方法。通过导出新的子类型而轻松扩展设计的能力是对改动进行封装的基本方式之一。这种能力可以极大地改善我们的设计，同时也降低软件维护的代价。

但是，在试图将导出类型的对象当作其泛化基类型对象来看待时（把圆形看作是几何形，把自行车看作是交通工具，把鸬鹚看作是鸟等等），仍然存在一个问题。如果某个方法要让泛化几何形状绘制自己、让泛化交通工具行驶，或者让泛化的鸟类移动，那么编译器在编译时是不可能知道应该执行哪一段代码的。这就是关键所在：当发送这样的消息时，程序员并不想知道哪一段代码将被执行；绘图方法可以被等同地应用于圆形、正方形、三角形，而对象会依据自身的具体类型来执行恰当的代码。

如果不需要知道哪一段代码会被执行，那么当添加新的子类型时，不需要更改调用它的方法，它就能够执行不同的代码。因此，编译器无法精确地了解哪一段代码将会被执行，那么它该怎么办呢？例如，在下面的图中，BirdController对象仅仅处理泛化的Bird对象，而不了解它们的确切类型。从BirdController的角度看，这么做非常方便，因为不需要编写特别的代码来判定要处理的Bird对象的确切类型或其行为。当move()方法被调用时，即便忽略Bird的具体类型，也会产生正确的行为（Goose（鹅）走、飞或游泳，Penguin（企鹅）走或游泳），那么，这是如何发生的呢？

这个问题的答案，也是面向对象程序设计的最重要的妙诀：编译器不可能产生传统意义上的函数调用。一个非面向对象编程的编译器产生的函数调用会引起所谓的前期绑定，这个术语你可能以前从未听说过，可能从未想过函数调用的其他方式。这么做意味着编译器将产生对一个具体函数名字的调用，而运行时将这个调用解析到将要被执行的代码的绝对地址。然而在OOP中，程序直到运行时才能够确定代码的地址，所以当消息发送到一个泛化对象时，必须采用其他的机制。

为了解决这个问题，面向对象程序设计语言使用了后期绑定的概念。当向对象发送消息时，被调用的代码直到运行时才能确定。编译器确保被调用方法的存在，并对调用参数和返回值执行类型检查（无法提供此类保证的语言被称为是弱类型的），但是并不知道将被执行的确切代码。

为了执行后期绑定，Java使用一小段特殊的代码来替代绝对地址调用。这段代码使用在对象中存储的信息来计算方法体的地址（这个过程将在第8章中详述）。这样，根据这一小段代码的内容，每一个对象都可以具有不同的行为表现。当向一个对象发送消息时，该对象就能够知道对这条消息应该做些什么。

在某些语言中，必须明确地声明希望某个方法具备后期绑定属性所带来的灵活性（C++是使用virtual关键字来实现的）。在这些语言中，方法在默认情况下不是动态绑定的。而在Java中，动态绑定是默认行为，不需要添加额外的关键字来实现多态。

再来看看几何形状的例子。整个类族（其中所有的类都基于相同的一致接口）在本章前面已有图示。为了说明多态，我们要编写一段代码，它忽略类型的具体细节，仅仅和基类交互。这段代码和具体类型信息是分离的（decoupled），这样做使代码编写更为简单，也更易于理解。而且，如果通过继承机制添加一个新类型，例如Hexagon（六边形），所编写的代码对Shape（几何形）的新类型的处理与对已有类型的处理会同样出色。正因为如此，可以称这个程序是可扩展的。

如果用Java来编写一个方法（后面很快你就会学习如何编写）：

这个方法可以与任何Shape对话，因此它是独立于任何它要绘制和擦除的对象的具体类型的。如果程序中其他部分用到了doSomething()方法：

对doSomething()的调用会自动地正确处理，而不管对象的确切类型。

这是一个相当令人惊奇的诀窍。看看下面这行代码：

当Circle被传入到预期接收Shape的方法中，究竟会发生什么。由于Circle可以被doSomething()看作是Shape，也就是说，doSomething()可以发送给Shape的任何消息，Circle都可以接收，那么，这么做是完全安全且合乎逻辑的。

把将导出类看做是它的基类的过程称为向上转型（upcasting）。转型（cast）这个名称的灵感来自于模型铸造的塑模动作；而向上（up）这个词来源于继承图的典型布局方式：通常基类在顶部，而导出类在其下部散开。因此，转型为一个基类就是在继承图中向上移动，即“向上转型”（如图所示）。

一个面向对象程序肯定会在某处包含向上转型，因为这正是将自己从必须知道确切类型中解放出来的关键。让我们再看看doSomething()中的代码：

注意这些代码并不是说“如果是Circle，请这样做；如果是Square，请那样做……”。如果编写了那种检查Shape所有实际可能类型的代码，那么这段代码肯定是杂乱不堪的，而且在每次添加了Shape的新类型之后都要去修改这段代码。这里所要表达的意思仅仅是“你是一个Shape，我知道你可以erase()和draw()你自己，那么去做吧，但是要注意细节的正确性。”

doSomething()的代码给人印象深刻之处在于，不知何故，它总是做了该做的。调用Circle的draw()方法所执行的代码与调用Square或Line的draw()方法所执行的代码是不同的，而且当draw()消息被发送给一个匿名的Shape时，也会基于该Shape的实际类型产生正确的行为。这相当神奇，因为就像在前面提到的，当Java编译器在编译doSomething()的代码时，并不能确切知道doSomething()要处理的确切类型。所以通常会期望它的编译结果是调用基类Shape的erase()和draw()版本，而不是具体的Circle、Square或Line的相应版本。正是因为多态才使得事情总是能够被正确处理。编译器和运行系统会处理相关的细节，你需要马上知道的只是事情会发生，更重要的是怎样通过它来设计。当向一个对象发送消息时，即使涉及向上转型，该对象也知道要执行什么样的正确行为。

1.8 单根继承结构

在OOP中，自C++面世以来就已变得非常瞩目的一个问题就是，是否所有的类最终都继承自单一的基类。在Java中（事实上还包括除C++以外的所有OOP语言），答案是yes，这个终极基类的名字就是Object。事实证明，单根继承结构带来了很多好处。

在单根继承结构中的所有对象都具有一个共用接口，所以它们归根到底都是相同的基本类型。另一种（C++所提供的）结构是无法确保所有对象都属于同一个基本类型。从向后兼容的角度看，这么做能够更好地适应C模型，而且受限较少，但是当要进行完全的面向对象程序设计时，则必须构建自己的继承体系，使得它可以提供其他OOP语言内置的便利。并且在所获得的任何新类库中，总会用到一些不兼容的接口，需要花力气（有可能要通过多重继承）来使新接口融入你的设计之中。这么做来换取C++额外的灵活性是否值得呢？如果需要的话—如果在C上面投资巨大，这么做就很有价值。如果是刚刚从头开始，那么像Java这样的选择通常会有更高的生产率。

单根继承结构保证所有对象都具备某些功能。因此你知道，在你的系统中你可以在每个对象上执行某些基本操作。所有对象都可以很容易地在堆上创建，而参数传递也得到了极大的简化。

单根继承结构使垃圾回收器的实现变得容易得多，而垃圾回收器正是Java相对C++的重要改进之一。由于所有对象都保证具有其类型信息，因此不会因无法确定对象的类型而陷入僵局。这对于系统级操作（如异常处理）显得尤其重要，并且给编程带来了更大的灵活性。

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