On Java 8 - 第九章多态

2020-12-26 本文已影响0人逍遥白亦

多态是面向对象编程语言中，继数据抽象和继承之外的第三个重要特性。

多态提供了另一个维度的接口与实现分离，以解耦做什么和怎么做。多态不仅能改善代码的组织，提高代码的可读性，而且能创建有扩展性的程序——无论在最初创建项目时还是在添加新特性时都可以“生长”的程序。

封装通过合并特征和行为来创建新的数据类型。隐藏实现通过将细节私有化把接口与实现分离。这种类型的组织机制对于有面向过程编程背景的人来说，更容易理解。而多态是消除类型之间的耦合。

1. 向上转型回顾

这种把一个对象引用当作它的基类引用的做法称为向上转型，因为继承图中基类一般都位于最上方。

同样你也在下面的音乐乐器例子中发现了问题。即然几个例子都要演奏乐符（Note），首先我们先在包中单独创建一个 Note 枚举类：

// polymorphism/music/Note.java
// Notes to play on musical instruments
package polymorphism.music;

public enum Note {
    MIDDLE_C, C_SHARP, B_FLAT; // Etc.
}

这里，Wind 是一种 Instrument；因此，Wind 继承 Instrument：

// polymorphism/music/Instrument.java
package polymorphism.music;

class Instrument {
    public void play(Note n) {
        System.out.println("Instrument.play()");
    }
}

// polymorphism/music/Wind.java
package polymorphism.music;
// Wind objects are instruments
// because they have the same interface:
public class Wind extends Instrument {
    // Redefine interface method:
    @Override
    public void play(Note n) {
        System.out.println("Wind.play() " + n);
    }
}

Music 的方法 tune() 接受一个 Instrument 引用，同时也接受任何派生自 Instrument 的类引用：

// polymorphism/music/Music.java
// Inheritance & upcasting
// {java polymorphism.music.Music}
package polymorphism.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); // Upcasting
    }
}

输出：

Wind.play() MIDDLE_C

在 main() 中你看到了 tune() 方法传入了一个 Wind 引用，而没有做类型转换。这样做是允许的—— Instrument 的接口一定存在于 Wind 中，因此 Wind 继承了 Instrument。从 Wind 向上转型为 Instrument 可能“缩小”接口，但不会比 Instrument 的全部接口更少。

1.1 忘掉对象类型

Music.java 看起来似乎有点奇怪。为什么所有人都故意忘记掉对象类型呢？当向上转型时，就会发生这种情况，而且看起来如果 tune() 接受的参数是一个 Wind 引用会更为直观。这会带来一个重要问题：如果你那么做，就要为系统内 Instrument 的每种类型都编写一个新的 tune() 方法。假设按照这种推理，再增加 Stringed 和 Brass 这两种 Instrument :

// polymorphism/music/Music2.java
// Overloading instead of upcasting
// {java polymorphism.music.Music2}
package polymorphism.music;

class Stringed extends Instrument {
    @Override
    public void play(Note n) {
        System.out.println("Stringed.play() " + n);
    }
}

class Brass extends Instrument {
    @Override
    public void play(Note n) {
        System.out.println("Brass.play() " + n);
    }
}

public class Music2 {
    public static void tune(Wind i) {
        i.play(Note.MIDDLE_C);
    }

    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) {
        Wind flute = new Wind();
        Stringed violin = new Stringed();
        Brass frenchHorn = new Brass();
        tune(flute); // No upcasting
        tune(violin);
        tune(frenchHorn);
    }
}

输出：

Wind.play() MIDDLE_C
Stringed.play() MIDDLE_C
Brass.play() MIDDLE_C

这样行得通，但是有一个主要缺点：必须为添加的每个新 Instrument 类编写特定的方法。这意味着开始时就需要更多的编程，而且以后如果添加类似 tune() 的新方法或 Instrument 的新类型时，还有大量的工作要做。考虑到如果你忘记重载某个方法，编译器也不会提示你，这会造成类型的整个处理过程变得难以管理。

2. 转机

运行程序后会看到 Music.java 的难点。Wind.play() 的输出结果正是我们期望的，然而它看起来似乎不应该得出这样的结果。观察 tune() 方法：

public static void tune(Instrument i) {
    // ...
    i.play(Note.MIDDLE_C);
}

2.1 方法调用绑定

将一个方法调用和一个方法主体关联起来称作绑定。若绑定发生在程序运行前（如果有的话，由编译器和链接器实现），叫做前期绑定。你可能从来没有听说这个术语，因为它是面向过程语言不需选择默认的绑定方式，例如在 C 语言中就只有前期绑定这一种方法调用。

解决方法就是后期绑定，意味着在运行时根据对象的类型进行绑定。后期绑定也称为动态绑定或运行时绑定。当一种语言实现了后期绑定，就必须具有某种机制在运行时能判断对象的类型，从而调用恰当的方法。也就是说，编译器仍然不知道对象的类型，但是方法调用机制能找到正确的方法体并调用。每种语言的后期绑定机制都不同，但是可以想到，对象中一定存在某种类型信息。

Java 中除了 static 和 final 方法（private 方法也是隐式的 final）外，其他所有方法都是后期绑定。这意味着通常情况下，我们不需要判断后期绑定是否会发生——它自动发生。

2.2 产生正确的行为

一旦当你知道 Java 中所有方法都是通过后期绑定来实现多态时，就可以编写只与基类打交道的代码，而且代码对于派生类来说都能正常地工作。或者换种说法，你向对象发送一条消息，让对象自己做正确的事。

形状的例子中，有一个基类称为 Shape ，多个不同的派生类型分别是：Circle，Square，Triangle 等等。这个例子之所以好用，是因为我们可以直接说“圆(Circle)是一种形状(Shape)”，这很容易理解。继承图展示了它们之间的关系：

image

向上转型就像下面这么简单：

Shape s = new Circle();

下面的例子稍微有些不同。首先让我们创建一个可复用的 Shape 类库，基类 Shape 为它的所有子类建立了公共接口——所有的形状都可以被绘画和擦除：

// polymorphism/shape/Shape.java
package polymorphism.shape;

public class Shape {
    public void draw() {}
    public void erase() {}
}

派生类通过重写这些方法为每个具体的形状提供独一无二的方法行为：

// polymorphism/shape/Circle.java
package polymorphism.shape;

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

// polymorphism/shape/Square.java
package polymorphism.shape;

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

// polymorphism/shape/Triangle.java
package polymorphism.shape;

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

RandomShapes 是一种工厂，每当我们调用 get() 方法时，就会产生一个指向随机创建的 Shape 对象的引用。注意，向上转型发生在 return 语句中，每条 return 语句取得一个指向某个 Circle，Square 或 Triangle 的引用，并将其以 Shape 类型从 get() 方法发送出去。因此无论何时调用 get() 方法，你都无法知道具体的类型是什么，因为你总是得到一个简单的 Shape 引用：

// polymorphism/shape/RandomShapes.java
// A "factory" that randomly creates shapes
package polymorphism.shape;
import java.util.*;

public class RandomShapes {
    private Random rand = new Random(47);

    public Shape get() {
        switch(rand.nextInt(3)) {
            default:
            case 0: return new Circle();
            case 1: return new Square();
            case 2: return new Triangle();
        }
    }

    public Shape[] array(int sz) {
        Shape[] shapes = new Shape[sz];
        // Fill up the array with shapes:
        for (int i = 0; i < shapes.length; i++) {
            shapes[i] = get();
        }
        return shapes;
    }
}

array() 方法分配并填充了 Shape 数组，这里使用了 for-in 表达式：

// polymorphism/Shapes.java
// Polymorphism in Java
import polymorphism.shape.*;

public class Shapes {
    public static void main(String[] args) {
        RandomShapes gen = new RandomShapes();
        // Make polymorphic method calls:
        for (Shape shape: gen.array(9)) {
            shape.draw();
        }
    }
}

输出：

Triangle.draw()
Triangle.draw()
Square.draw()
Triangle.draw()
Square.draw()
Triangle.draw()
Square.draw()
Triangle.draw()
Circle.draw()

main() 方法中包含了一个 Shape 引用组成的数组，其中每个元素通过调用 RandomShapes 类的 get() 方法生成。现在你只知道拥有一些形状，但除此之外一无所知（编译器也是如此）。然而当遍历这个数组为每个元素调用 draw() 方法时，从运行程序的结果中可以看到，与类型有关的特定行为奇迹般地发生了。

2.3 可扩展性

现在让我们回头看音乐乐器的例子。由于多态机制，你可以向系统中添加任意多的新类型，而不需要修改 tune() 方法。在一个设计良好的面向对象程序中，许多方法将会遵循 tune() 的模型，只与基类接口通信。这样的程序是可扩展的，因为可以从通用的基类派生出新的数据类型，从而添加新的功能。那些操纵基类接口的方法不需要改动就可以应用于新类。

考虑一下乐器的例子，如果在基类中添加更多的方法，并加入一些新类，将会发生什么呢：

image

所有的新类都可以和原有类正常运行，不需要改动 tune() 方法。即使 tune() 方法单独存放在某个文件中，而且向 Instrument 接口中添加了新的方法，tune() 方法也无需再编译就能正确运行。下面是类图的实现：

// polymorphism/music3/Music3.java
// An extensible program
// {java polymorphism.music3.Music3}
package polymorphism.music3;
import polymorphism.music.Note;

class Instrument {
    void play(Note n) {
        System.out.println("Instrument.play() " + n);
    }

    String what() {
        return "Instrument";
    }

    void adjust() {
        System.out.println("Adjusting Instrument");
    }
}

class Wind extends Instrument {
    @Override
    void play(Note n) {
        System.out.println("Wind.play() " + n);
    }
    @Override
    String what() {
        return "Wind";
    }
    @Override
    void adjust() {
        System.out.println("Adjusting Wind");
    }
}

class Percussion extends Instrument {
    @Override
    void play(Note n) {
        System.out.println("Percussion.play() " + n);
    }
    @Override
    String what() {
        return "Percussion";
    }
    @Override
    void adjust() {
        System.out.println("Adjusting Percussion");
    }
}

class Stringed extends Instrument {
    @Override
    void play(Note n) {
        System.out.println("Stringed.play() " + n);
    } 
    @Override
    String what() {
        return "Stringed";
    }
    @Override
    void adjust() {
        System.out.println("Adjusting Stringed");
    }
}

class Brass extends Wind {
    @Override
    void play(Note n) {
        System.out.println("Brass.play() " + n);
    }
    @Override
    void adjust() {
        System.out.println("Adjusting Brass");
    }
}

class Woodwind extends Wind {
    @Override
    void play(Note n) {
        System.out.println("Woodwind.play() " + n);
    }
    @Override
    String what() {
        return "Woodwind";
    }
}

public class Music3 {
    // Doesn't care about type, so new types
    // added to the system still work right:
    public static void tune(Instrument i) {
        // ...
        i.play(Note.MIDDLE_C);
    }

    public static void tuneAll(Instrument[] e) {
        for (Instrument i: e) {
            tune(i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // Upcasting during addition to the array:
        Instrument[] orchestra = {
            new Wind(),
            new Percussion(),
            new Stringed(),
            new Brass(),
            new Woodwind()
        };
        tuneAll(orchestra);
    }
}

输出：

Wind.play() MIDDLE_C
Percussion.play() MIDDLE_C
Stringed.play() MIDDLE_C
Brass.play() MIDDLE_C
Woodwind.play() MIDDLE_C

新方法 what() 返回一个带有类描述的 String 引用，adjust() 提供一些乐器调音的方法。

在 main() 方法中，当向 orchestra 数组添加元素时，元素会自动向上转型为 Instrument。

tune() 方法可以忽略周围所有代码发生的变化，仍然可以正常运行。这正是我们期待多态能提供的特性。代码中的修改不会破坏程序中其他不应受到影响的部分。换句话说，多态是一项“将改变的事物与不变的事物分离”的重要技术。

2.4 陷阱：“重写”私有方法

结论是只有非 private 方法才能被重写，但是得小心重写 private 方法的现象，编译器不报错，但不会按我们所预期的执行。为了清晰起见，派生类中的方法名采用与基类中 private 方法名不同的命名。

如果使用了 @Override 注解，就能检测出问题：

// polymorphism/PrivateOverride2.java
// Detecting a mistaken override using @Override
// {WillNotCompile}
package polymorphism;

public class PrivateOverride2 {
    private void f() {
        System.out.println("private f()");
    }

    public static void main(String[] args) {
        PrivateOverride2 po = new Derived2();
        po.f();
    }
}

class Derived2 extends PrivateOverride2 {
    @Override
    public void f() {
        System.out.println("public f()");
    }
}

编译器报错信息是：

error: method does not override or
implement a method from a supertype

2.5 陷阱：属性与静态方法

一旦学会了多态，就可以以多态的思维方式考虑每件事。然而，只有普通的方法调用可以是多态的。例如，如果你直接访问一个属性，该访问会在编译时解析。

如果一个方法是静态(static)的，它的行为就不具有多态性：

// polymorphism/StaticPolymorphism.java
// static methods are not polymorphic
class StaticSuper {
    public static String staticGet() {
        return "Base staticGet()";
    }

    public String dynamicGet() {
        return "Base dynamicGet()";
    }
}

class StaticSub extends StaticSuper {
    public static String staticGet() {
        return "Derived staticGet()";
    }
    @Override
    public String dynamicGet() {
        return "Derived dynamicGet()";
    }
}

public class StaticPolymorphism {
    public static void main(String[] args) {
        StaticSuper sup = new StaticSub(); // Upcast
        System.out.println(StaticSuper.staticGet());
        System.out.println(sup.dynamicGet());
    }
}

输出：

Base staticGet()
Derived dynamicGet()

静态的方法只与类关联，与单个的对象无关。

3. 构造器和多态

通常，构造器不同于其他类型的方法。在涉及多态时也是如此。尽管构造器不具有多态性（事实上人们会把它看作是隐式声明的静态方法），但是理解构造器在复杂层次结构中运作多态还是非常重要的。理解这个可以帮助你避免一些不愉快的困扰。

3.1 构造器调用顺序

在派生类的构造过程中总会调用基类的构造器。初始化会自动按继承层次结构上移，因此每个基类的构造器都会被调用到。这么做是有意义的，因为构造器有着特殊的任务：检查对象是否被正确地构造。由于属性通常声明为 private，你必须假定派生类只能访问自己的成员而不能访问基类的成员。只有基类的构造器拥有恰当的知识和权限来初始化自身的元素。因此，必须得调用所有构造器；否则就不能构造完整的对象。这就是为什么编译器会强制调用每个派生类中的构造器的原因。如果在派生类的构造器主体中没有显式地调用基类构造器，编译器就会默默地调用无参构造器。如果没有无参构造器，编译器就会报错（当类中不含构造器时，编译器会自动合成一个无参构造器）。

下面的例子展示了组合、继承和多态在构建顺序上的作用：

// polymorphism/Sandwich.java
// Order of constructor calls
// {java polymorphism.Sandwich}
package polymorphism;

class Meal {
    Meal() {
        System.out.println("Meal()");
    }
}

class Bread {
    Bread() {
        System.out.println("Bread()");
    }
}

class Cheese {
    Cheese() {
        System.out.println("Cheese()");
    }
}

class Lettuce {
    Lettuce() {
        System.out.println("Lettuce()");
    }
}

class Lunch extends Meal {
    Lunch() {
        System.out.println("Lunch()");
    }
}

class PortableLunch extends Lunch {
    PortableLunch() {
        System.out.println("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("Sandwich()");
    }

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

输出：

Meal()
Lunch()
PortableLunch()
Bread()
Cheese()
Lettuce()
Sandwich()

这个例子用其他类创建了一个复杂的类。每个类都在构造器中声明自己。重要的类是 Sandwich，它反映了三层继承（如果算上 Object 的话，就是四层），包含了三个成员对象。

从创建 Sandwich 对象的输出中可以看出对象的构造器调用顺序如下：

基类构造器被调用。这个步骤被递归地重复，这样一来类层次的顶级父类会被最先构造，然后是它的派生类，以此类推，直到最底层的派生类。
按声明顺序初始化成员。
调用派生类构造器的方法体。

3.2 继承和清理

在使用组合和继承创建新类时，大部分时候你无需关心清理。子对象通常会留给垃圾收集器处理。如果你存在清理问题，那么必须用心地为新类创建一个 dispose() 方法（这里用的是我选择的名称，你可以使用更好的名称）。由于继承，如果有其他特殊的清理工作的话，就必须在派生类中重写 dispose() 方法。当重写 dispose() 方法时，记得调用基类的 dispose() 方法，否则基类的清理工作不会发生：

// polymorphism/Frog.java
// Cleanup and inheritance
// {java polymorphism.Frog}
package polymorphism;

class Characteristic {
    private String s;

    Characteristic(String s) {
        this.s = s;
        System.out.println("Creating Characteristic " + s);
    }

    protected void dispose() {
        System.out.println("disposing Characteristic " + s);
    }
}

class Description {
    private String s;

    Description(String s) {
        this.s = s;
        System.out.println("Creating Description " + s);
    }

    protected void dispose() {
        System.out.println("disposing Description " + s);
    }
}

class LivingCreature {
    private Characteristic p = new Characteristic("is alive");
    private Description t = new Description("Basic Living Creature");

    LivingCreature() {
        System.out.println("LivingCreature()");
    }

    protected void dispose() {
        System.out.println("LivingCreature dispose");
        t.dispose();
        p.dispose();
    }
}

class Animal extends LivingCreature {
    private Characteristic p = new Characteristic("has heart");
    private Description t = new Description("Animal not Vegetable");

    Animal() {
        System.out.println("Animal()");
    }

    @Override
    protected void dispose() {
        System.out.println("Animal dispose");
        t.dispose();
        p.dispose();
        super.dispose();
    }
}

class Amphibian extends Animal {
    private Characteristic p = new Characteristic("can live in water");
    private Description t = new Description("Both water and land");

    Amphibian() {
        System.out.println("Amphibian()");
    }

    @Override
    protected void dispose() {
        System.out.println("Amphibian dispose");
        t.dispose();
        p.dispose();
        super.dispose();
    }
}

public class Frog extends Amphibian {
    private Characteristic p = new Characteristic("Croaks");
    private Description t = new Description("Eats Bugs");

    public Frog() {
        System.out.println("Frog()");
    }

    @Override
    protected void dispose() {
        System.out.println("Frog dispose");
        t.dispose();
        p.dispose();
        super.dispose();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Frog frog = new Frog();
        System.out.println("Bye!");
        frog.dispose();
    }
}

输出：

Creating Characteristic is alive
Creating Description Basic Living Creature
LivingCreature()
Creating Characteristiv has heart
Creating Description Animal not Vegetable
Animal()
Creating Characteristic can live in water
Creating Description Both water and land
Amphibian()
Creating Characteristic Croaks
Creating Description Eats Bugs
Frog()
Bye!
Frog dispose
disposing Description Eats Bugs
disposing Characteristic Croaks
Amphibian dispose
disposing Description Both wanter and land
disposing Characteristic can live in water
Animal dispose
disposing Description Animal not Vegetable
disposing Characteristic has heart
LivingCreature dispose
disposing Description Basic Living Creature
disposing Characteristic is alive

Frog 对象拥有自己的成员对象，它创建了这些成员对象，并且知道它们能存活多久，所以它知道何时调用 dispose() 方法。然而，一旦某个成员对象被其它一个或多个对象共享时，问题就变得复杂了，不能只是简单地调用 dispose()。这里，也许就必须使用引用计数来跟踪仍然访问着共享对象的对象数量，如下：

// polymorphism/ReferenceCounting.java
// Cleaning up shared member objects
class Shared {
    private int refcount = 0;
    private static long counter = 0;
    private final long id = counter++;

    Shared() {
        System.out.println("Creating " + this);
    }

    public void addRef() {
        refcount++;
    }

    protected void dispose() {
        if (--refcount == 0) {
            System.out.println("Disposing " + this);
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Shared " + id;
    }
}

class Composing {
    private Shared shared;
    private static long counter = 0;
    private final long id = counter++;

    Composing(Shared shared) {
        System.out.println("Creating " + this);
        this.shared = shared;
        this.shared.addRef();
    }

    protected void dispose() {
        System.out.println("disposing " + this);
        shared.dispose();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Composing " + id;
    }
}

public class ReferenceCounting {
    public static void main(String[] args) {
        Shared shared = new Shared();
        Composing[] composing = {
            new Composing(shared),
            new Composing(shared),
            new Composing(shared),
            new Composing(shared),
            new Composing(shared),
        };
        for (Composing c: composing) {
            c.dispose();
        }
    }
}

输出：

Creating Shared 0
Creating Composing 0
Creating Composing 1
Creating Composing 2
Creating Composing 3
Creating Composing 4
disposing Composing 0
disposing Composing 1
disposing Composing 2
disposing Composing 3
disposing Composing 4
Disposing Shared 0

在将一个 shared 对象附着在类上时，必须记住调用 addRef()，而 dispose() 方法会跟踪引用数，以确定在何时真正地执行清理工作。使用这种技巧需要加倍细心，但是如果需要清理正在共享的对象，你没有太多选择。

3.3 构造器内部多态方法的行为

构造器调用的层次结构带来了一个困境。如果在构造器中调用了正在构造的对象的动态绑定方法，会发生什么呢？

从概念上讲，构造器的工作就是创建对象（这并非是平常的工作）。在构造器内部，整个对象可能只是部分形成——只知道基类对象已经初始化。如果构造器只是构造对象过程中的一个步骤，且构造的对象所属的类是从构造器所属的类派生出的，那么派生部分在当前构造器被调用时还没有初始化。然而，一个动态绑定的方法调用向外深入到继承层次结构中，它可以调用派生类的方法。如果你在构造器中这么做，就可能调用一个方法，该方法操纵的成员可能还没有初始化——这肯定会带来灾难。

下面例子展示了这个问题：

// polymorphism/PolyConstructors.java
// Constructors and polymorphism
// don't produce what you might expect
class Glyph {
    void draw() {
        System.out.println("Glyph.draw()");
    }

    Glyph() {
        System.out.println("Glyph() before draw()");
        draw();
        System.out.println("Glyph() after draw()");
    }
}

class RoundGlyph extends Glyph {
    private int radius = 1;

    RoundGlyph(int r) {
        radius = r;
        System.out.println("RoundGlyph.RoundGlyph(), radius = " + radius);
    }

    @Override
    void draw() {
        System.out.println("RoundGlyph.draw(), radius = " + radius);
    }
}

public class PolyConstructors {
    public static void main(String[] args) {
        new RoundGlyph(5);
    }
}

输出：

Glyph() before draw()
RoundGlyph.draw(), radius = 0
Glyph() after draw()
RoundGlyph.RoundGlyph(), radius = 5

Glyph 的 draw() 被设计为可重写，在 RoundGlyph 这个方法被重写。但是 Glyph 的构造器里调用了这个方法，结果调用了 RoundGlyph 的 draw() 方法，这看起来正是我们的目的。输出结果表明，当 Glyph 构造器调用了 draw() 时，radius 的值不是默认初始值 1 而是 0。这可能会导致在屏幕上只画了一个点或干脆什么都不画，于是我们只能干瞪眼，试图找到程序不工作的原因。

前一小节描述的初始化顺序并不十分完整，而这正是解决谜团的关键所在。初始化的实际过程是：

在所有事发生前，分配给对象的存储空间会被初始化为二进制 0。
如前所述调用基类构造器。此时调用重写后的 draw() 方法（是的，在调用 RoundGraph 构造器之前调用），由步骤 1 可知，radius 的值为 0。
按声明顺序初始化成员。
最终调用派生类的构造器。

因此，编写构造器有一条良好规范：做尽量少的事让对象进入良好状态。如果有可能的话，尽量不要调用类中的任何方法。在基类的构造器中能安全调用的只有基类的 final 方法（这也适用于可被看作是 final 的 private 方法）。这些方法不能被重写，因此不会产生意想不到的结果。你可能无法永远遵循这条规范，但应该朝着它努力。

4. 协变返回类型

Java 5 中引入了协变返回类型，这表示派生类的被重写方法可以返回基类方法返回类型的派生类型：

// polymorphism/CovariantReturn.java
class Grain {
    @Override
    public String toString() {
        return "Grain";
    }
}

class Wheat extends Grain {
    @Override
    public String toString() {
        return "Wheat";
    }
}

class Mill {
    Grain process() {
        return new Grain();
    }
}

class WheatMill extends Mill {
    @Override
    Wheat 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);
    }
}

输出：

Grain
Wheat

关键区别在于 Java 5 之前的版本强制要求被重写的 process() 方法必须返回 Grain 而不是 Wheat，即使Wheat派生自Grain，因而也应该是一种合法的返回类型。协变返回类型允许返回更具体的 Wheat 类型。

5. 使用继承设计

学习过多态之后，一切看似都可以被继承，因为多态是如此巧妙的工具。这会给设计带来负担。事实上，如果利用已有类创建新类首先选择继承的话，事情会变得莫名的复杂。

更好的方法是首先选择组合，特别是不知道该使用哪种方法时。组合不会强制设计是继承层次结构，而且组合更加灵活，因为可以动态地选择类型（因而选择相应的行为），而继承要求必须在编译时知道确切类型。下面例子说明了这点：

// polymorphism/Transmogrify.java
// Dynamically changing the behavior of an object
// via composition (the "State" design pattern)
class Actor {
    public void act() {}
}

class HappyActor extends Actor {
    @Override
    public void act() {
        System.out.println("HappyActor");
    }
}

class SadActor extends Actor {
    @Override
    public 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();
    }
}

输出：

HappyActor
SadActor

Stage 对象中包含了 Actor 引用，该引用被初始化为指向一个 HappyActor 对象，这意味着 performPlay() 会产生一个特殊行为。但是既然引用可以在运行时与其他不同的对象绑定，那么它就可以被替换成对 SadActor 的引用，performPlay() 的行为随之改变。这样你就获得了运行时的动态灵活性（这被称为状态模式）。与之相反，我们无法在运行时才决定继承不同的对象；那在编译时就完全决定好了。

有一条通用准则：使用继承表达行为的差异，使用属性表达状态的变化。在上个例子中，两者都用到了。通过继承得到的两个不同类在 act() 方法中表达了不同的行为，Stage 通过组合使自己的状态发生变化。这里状态的改变产生了行为的改变。

5.1 替代 vs 扩展

采用“纯粹”的方式创建继承层次结构看上去是最清晰的方法。即只有基类的方法才能在派生类中被重写，就像下图这样：

image

这被称作纯粹的“is - a"关系，因为类的接口已经确定了它是什么。继承可以确保任何派生类都拥有基类的接口，绝对不会少。如果按图上这么做，派生类将只拥有基类的接口。

纯粹的替代意味着派生类可以完美地替代基类，当使用它们时，完全不需要知道这些子类的信息。也就是说，基类可以接收任意发送给派生类的消息，因为它们具有完全相同的接口。只需将派生类向上转型，不要关注对象的具体类型。所有一切都可以通过多态处理。

image

按这种方式思考，似乎只有纯粹的“is - a”关系才是唯一明智的做法，其他任何设计只会导致混乱且注定失败。这其实也是个陷阱。一旦按这种方式开始思考，就会转而发现继承扩展接口（遗憾的是，extends 关键字似乎怂恿我们这么做）才是解决特定问题的完美方案。这可以称为“is - like - a” 关系，因为派生类就像是基类——它有着相同的基本接口，但还具有需要额外方法实现的其他特性：

image

虽然这是一种有用且明智的方法（依赖具体情况），但是也存在缺点。派生类中接口的扩展部分在基类中不存在（不能通过基类访问到这些扩展接口），因此一旦向上转型，就不能通过基类调用这些新方法：

image

5.1 向下转型与运行时类型信息

由于向上转型（在继承层次中向上移动）会丢失具体的类型信息，那么为了重新获取类型信息，就需要在继承层次中向下移动，使用向下转型。

向上转型永远是安全的，因为基类不会具有比派生类更多的接口。因此，每条发送给基类接口的消息都能被接收。但是对于向下转型，你无法知道一个形状是圆，它有可能是三角形、正方形或其他一些类型。

为了解决这个问题，必须得有某种方法确保向下转型是正确的，防止意外转型到一个错误类型，进而发送对象无法接收的消息。这么做是不安全的。

这种在运行时检查类型的行为称作运行时类型信息。下面例子展示了 RTTI 的行为：

// polymorphism/RTTI.java
// Downcasting & Runtime type information (RTTI)
// {ThrowsException}
class Useful {
    public void f() {}
    public void g() {}
}

class MoreUseful extends Useful {
    @Override
    public void f() {}
    @Override
    public void g() {}
    public void u() {}
    public void v() {}
    public void w() {}
}

public class RTTI {
    public static void main(String[] args) {
        Useful[] x = {
            new Useful(),
            new MoreUseful()
        };
        x[0].f();
        x[1].g();
        // Compile time: method not found in Useful:
        //- x[1].u();
        ((MoreUseful) x[1]).u(); // Downcast/RTTI
        ((MoreUseful) x[0]).u(); // Exception thrown
    }
}

输出：

Exception in thread "main"
java.lang.ClassCastException: Useful cannot be cast to
MoreUseful
at RTTI.main

正如前面类图所示，MoreUseful 扩展了 Useful 的接口。而 MoreUseful 也继承了 Useful，所以它可以向上转型为 Useful。在 main() 方法中可以看到这种情况的发生。因为两个对象都是 Useful 类型，所以对它们都可以调用 f() 和 g() 方法。如果试图调用 u() 方法（只存在于 MoreUseful 中），就会得到编译时错误信息。

为了访问 MoreUseful 对象的扩展接口，就得尝试向下转型。如果转型为正确的类型，就转型成功。否则，就会得到 ClassCastException 异常。你不必为这个异常编写任何特殊代码，因为它指出了程序员在程序的任何地方都可能犯的错误。{ThrowsException} 注释标签告知本书的构建系统：在运行程序时，预期抛出一个异常。

RTTI 不仅仅包括简单的转型。例如，它还提供了一种方法，使你可以在试图向下转型前检查所要处理的类型。“类型信息”一章中会详细阐述运行时类型信息的方方面面。

On Java 8 - 第九章多态

1. 向上转型回顾

1.1 忘掉对象类型

2. 转机

2.1 方法调用绑定

2.2 产生正确的行为

2.3 可扩展性

2.4 陷阱：“重写”私有方法

2.5 陷阱：属性与静态方法

3. 构造器和多态

3.1 构造器调用顺序

3.2 继承和清理

3.3 构造器内部多态方法的行为

4. 协变返回类型

5. 使用继承设计

5.1 替代 vs 扩展

5.1 向下转型与运行时类型信息

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