Java多態(tài)

多態(tài)（Polymorphism）屬于面向?qū)ο笕筇卣髦?，它的前提是封裝形成獨立體，獨立體之間存在繼承關(guān)系，從而產(chǎn)生多態(tài)機制。多態(tài)是同一個行為具有多個不同表現(xiàn)形式或形態(tài)的能力?，F(xiàn)實中，比如我們按下 F1 鍵這個動作：

● 如果當(dāng)前在 Flash 界面下彈出的就是 AS 3 的幫助文檔；

● 如果當(dāng)前在 Word 下彈出的就是 Word 幫助；

● 如果當(dāng)前在 Windows 下彈出的就是 Windows 幫助和支持。

多態(tài)就是“同一個行為”發(fā)生在“不同的對象上”會產(chǎn)生不同的效果。那么在java中多態(tài)是如何體現(xiàn)的呢？

在java中允許這樣的兩種語法出現(xiàn)，一種是向上轉(zhuǎn)型（Upcasting），一種是向下轉(zhuǎn)型（Downcasting），向上轉(zhuǎn)型是指子類型轉(zhuǎn)換為父類型，又被稱為自動類型轉(zhuǎn)換，向下轉(zhuǎn)型是指父類型轉(zhuǎn)換為子類型，又被稱為強制類型轉(zhuǎn)換。請看下圖：

圖13-4：向上轉(zhuǎn)型和向下轉(zhuǎn)型

在java語言中有這樣的一個規(guī)定，無論是向上轉(zhuǎn)型還是向下轉(zhuǎn)型，兩種類型之間必須要有繼承關(guān)系，沒有繼承關(guān)系情況下進行向上轉(zhuǎn)型或向下轉(zhuǎn)型的時候編譯器都會報錯，這一點要死記硬背哦！

接下來我們來看一段代碼：

public class Animal {
	public void move(){
		System.out.println("Animal move!");
	}
}

public class Cat extends Animal{
	//方法覆蓋
	public void move(){
		System.out.println("走貓步！");
	}
	//子類特有
	public void catchMouse(){
		System.out.println("抓老鼠！");
	}
}

public class Bird extends Animal{
	//方法覆蓋
	public void move(){
		System.out.println("鳥兒在飛翔！");
	}
//子類特有
public void sing(){
	System.out.println("鳥兒在歌唱！");
	}
}

public class Test01 {
	public static void main(String[] args) {
		//創(chuàng)建Animal對象
		Animal a = new Animal();
		a.move();
		//創(chuàng)建Cat對象
		Cat c = new Cat();
		c.move();
		//創(chuàng)建鳥兒對象
		Bird b = new Bird();
		b.move();
	}
}

運行結(jié)果如下圖所示：

圖13-5：運行結(jié)果

其實在java中還允許這樣寫代碼，請看：

public class Test02 {
	public static void main(String[] args) {
		Animal a1 = new Cat();
		a1.move();
		Animal a2 = new Bird();
		a2.move();
	}
}

運行結(jié)果如下圖所示：

圖13-6：運行結(jié)果

以上程序演示的就是多態(tài)，多態(tài)就是“同一個行為（move）”作用在“不同的對象上”會有不同的表現(xiàn)結(jié)果。java中之所以有多態(tài)機制，是因為java允許一個父類型的引用指向一個子類型的對象。也就是說允許這種寫法：Animal a2 = new Bird()，因為Bird is a Animal是能夠說通的。其中Animal a1 = new Cat()或者Animal a2 = new Bird()都是父類型引用指向了子類型對象，都屬于向上轉(zhuǎn)型（Upcasting），或者叫做自動類型轉(zhuǎn)換。

我來解釋一下這段代碼片段【Animal a1 = new Cat();a1.move(); 】：java程序包括編譯和運行兩個階段，分析java程序一定要先分析編譯階段，然后再分析運行階段，在編譯階段編譯器只知道a1變量的數(shù)據(jù)類型是Animal，那么此時編譯器會去Animal.class字節(jié)碼中查找move()方法，發(fā)現(xiàn)Animal.class字節(jié)碼中存在move()方法，然后將該move()方法綁定到a1引用上，編譯通過了，這個過程我們可以理解為“靜態(tài)綁定”階段完成了。緊接著程序開始運行，進入運行階段，在運行的時候?qū)嶋H上在堆內(nèi)存中new的對象是Cat類型，也就是說真正在move移動的時候，是Cat貓對象在移動，所以運行的時候就會自動執(zhí)行Cat類當(dāng)中的move()方法，這個過程可以稱為“動態(tài)綁定”。但無論是什么時候，必須先“靜態(tài)綁定”成功之后才能進入“動態(tài)綁定”階段。

來看以下的一段代碼以及編譯結(jié)果：

public class Test03 {
	public static void main(String[] args) {
		Animal a = new Cat();
		a.catchMouse();
	}
}

編譯結(jié)果：

圖13-7：編譯錯誤信息

有人認為Cat貓是可以抓老鼠的呀，為什么會編譯報錯呢？那是因為“Animal a = new Cat();”在編譯的時候，編譯器只知道a變量的數(shù)據(jù)類型是Animal，也就是說它只會去Animal.class字節(jié)碼中查找catchMouse()方法，結(jié)果沒找到，自然“靜態(tài)綁定”就失敗了，編譯沒有通過。就像以上描述的錯誤信息一樣：在類型為Animal的變量a中找不到方法catchMouse()。

那么，假如說我就是想讓這只貓去抓老鼠，以上代碼應(yīng)該如何修改呢？請看以下代碼：

public class Test04 {
	public static void main(String[] args) {
		//向上轉(zhuǎn)型
		Animal a = new Cat();
		//向下轉(zhuǎn)型：為了調(diào)用子類對象特有的方法
		Cat c = (Cat)a;
		c.catchMouse();
	}
}

運行結(jié)果如下圖所示：

圖13-8：向下轉(zhuǎn)型

我們可以看到直接使用a引用是無法調(diào)用catchMouse()方法的，因為這個方法屬于子類Cat中特有的行為，不是所有Animal動物都可以抓老鼠的，要想讓它去抓老鼠，就必須做向下轉(zhuǎn)型（Downcasting），也就是使用強制類型轉(zhuǎn)換將Animal類型的a引用轉(zhuǎn)換成Cat類型的引用c（Cat c = (Cat)a;），使用Cat類型的c引用調(diào)用catchMouse()方法。

通過這個案例，可以得出：只有在訪問子類型中特有數(shù)據(jù)的時候，需要先進行向下轉(zhuǎn)型。其實向下轉(zhuǎn)型就是用在這種情形之下。那么向下轉(zhuǎn)型會存在什么風(fēng)險嗎？請看以下代碼：

public class Test05 {
	public static void main(String[] args) {
		Animal a = new Bird();
		Cat c = (Cat)a;
	}
}

以上代碼可以編譯通過嗎？答案是可以的，為什么呢？那是因為編譯器只知道a變量是Animal類型，Animal類和Cat類之間存在繼承關(guān)系，所以可以進行向下轉(zhuǎn)型（前面提到過，只要兩種類型之間存在繼承關(guān)系，就可以進行向上或向下轉(zhuǎn)型），語法上沒有錯誤，所以編譯通過了。但是運行的時候會出問題嗎，因為畢竟a引用指向的真實對象是一只小鳥。來看運行結(jié)果：

圖13-9：類型轉(zhuǎn)換異常

以上的異常是很常見的ClassCastException，翻譯為類型轉(zhuǎn)換異常，這種異常通常出現(xiàn)在向下轉(zhuǎn)型的操作過程當(dāng)中，當(dāng)類型不兼容的情況下進行轉(zhuǎn)型出現(xiàn)的異常，之所以出現(xiàn)此異常是因為在程序運行階段a引用指向的對象是一只小鳥，然后我們要將一只小鳥轉(zhuǎn)換成一只貓，這顯然是不合理的，因為小鳥和貓之間是沒有繼承關(guān)系的。為了避免這種異常的發(fā)生，建議在進行向下轉(zhuǎn)型之前進行運行期類型判斷，這就需要我們學(xué)習(xí)一個運算符了，它就是instanceof。

instanceof運算符的語法格式是這樣的：

(引用 instanceof 類型)

instanceof運算符的運算結(jié)果是布爾類型，可能是true，也可能是false，假設(shè)(c instanceof Cat)結(jié)果是true則表示在運行階段c引用指向的對象是Cat類型，如果結(jié)果是false則表示在運行階段c引用指向的對象不是Cat類型。有了instanceof運算符，向下轉(zhuǎn)型就可以這樣寫了：

public class Test05 {
	public static void main(String[] args) {
		Animal a = new Bird();
		if(a instanceof Cat){
			Cat c = (Cat)a;
			c.catchMouse();
		}
	}
}

以上程序運行之后不再發(fā)生異常，并且什么也沒有輸出，那是因為if語句的條件并沒有成立，因為在運行階段a引用指向的對象不是Cat類型，所以(a instanceof Cat)是false，自然就不會進行向下轉(zhuǎn)型了，也不會出現(xiàn)ClassCastException異常了。在實際開發(fā)中，java中有這樣一條默認的規(guī)范需要大家記?。涸谶M行任何向下轉(zhuǎn)型的操作之前，要使用instanceof進行判斷，這是一個很好的編程習(xí)慣。就像下面的代碼：

public class Test05 {
	public static void main(String[] args) {
		Animal a = new Bird();
		if(a instanceof Cat){
			Cat c = (Cat)a;
			c.catchMouse();
		}else if(a instanceof Bird){
			Bird b = (Bird)a;
			b.sing();
		}
	}
}

運行結(jié)果如下圖所示：

圖13-10：向下轉(zhuǎn)型前判斷

到這里大家理解什么是多態(tài)了嗎？其實多態(tài)存在的三個必要條件分別是：

● 繼承

● 方法覆蓋

● 父類型引用指向子類型對象

多態(tài)顯然是離不開方法覆蓋機制的，多態(tài)就是因為編譯階段綁定父類當(dāng)中的方法，程序運行階段自動調(diào)用子類對象上的方法，如果子類對象上的方法沒有進行重寫，這個時候創(chuàng)建子類對象就沒有意義了，自然多態(tài)也就沒有意義了，只有子類將方法重寫之后調(diào)用到子類對象上的方法產(chǎn)生不同效果時，多態(tài)就形成了。實際上方法覆蓋機制和多態(tài)機制是捆綁的，誰也離不開誰，多態(tài)離不開方法覆蓋，方法覆蓋離開了多態(tài)也就沒有意義了。

接下里就來看看之前沒有解決的問題：方法覆蓋主要是說實例方法，靜態(tài)方法為什么不談方法覆蓋？

public class OverrideTest {
	public static void main(String[] args) {
		Math.sum();
		MathSubClass.sum();
	}
}

public class Math{
	public static void sum(){
		System.out.println("Math's sum execute!");
	}
}

public class MathSubClass extends Math{
	//嘗試覆蓋從父類中繼承過來的靜態(tài)方法
	public static void sum(){
		System.out.println("MathSubClass's sum execute!");
	}
}

運行結(jié)果如下圖所示：

圖13-11：嘗試覆蓋靜態(tài)方法

我們發(fā)現(xiàn)貌似也發(fā)生了覆蓋，在程序運行的時候確實也調(diào)用了“子類MathSubClass”的sum方法，但這種“覆蓋”有意義嗎？其實上面的課程我們已經(jīng)說過了，方法覆蓋和多態(tài)機制聯(lián)合起來才有意義，我們來看看這種“覆蓋”是否能夠達到“多態(tài)”的效果，請看代碼：

public class OverrideTest {
	public static void main(String[] args) {
		Math m = new MathSubClass();
		m.sum();
		m = null;
		m.sum();
	}
}

運行結(jié)果如下圖所示：

圖13-12：運行結(jié)果

通過以上的代碼，我們發(fā)現(xiàn)雖然創(chuàng)建了子類型對象“new MathSubClass()”，但是程序在運行的時候仍然調(diào)用的是Math類當(dāng)中的sum方法，甚至m = null的時候再去調(diào)用m.sum()也沒有出現(xiàn)空指針異常，這說明靜態(tài)方法的執(zhí)行壓根和對象無關(guān)，既然和對象無關(guān)那就表示和多態(tài)無關(guān)，既然和多態(tài)無關(guān)，也就是說靜態(tài)方法的“覆蓋”是沒有意義的，所以通常我們不談靜態(tài)方法的覆蓋。