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[Java学习] Java多态和动态绑定

发表于 2018-6-8 13:15:00
Java中,父类的变量可以引用父类的实例,也可以引用子类的实例。

请读者先看一段代码:
1. public class Demo {
2.     public static void main(String[] args){
3.         Animal obj = new Animal();
4.         obj.cry();
5.
6.         obj = new Cat();
7.         obj.cry();
8.
9.         obj = new Dog();
10.         obj.cry();
11.     }
12. }
13.
14. class Animal{
15.     // 动物的叫声
16.     public void cry(){
17.         System.out.println("不知道怎么叫");
18.     }
19.   
20. }
21.
22. class Cat extends Animal{
23.     // 猫的叫声
24.     public void cry(){
25.         System.out.println("喵喵~");
26.     }
27. }
28.
29. class Dog extends Animal{
30.     // 狗的叫声
31.     public void cry(){
32.         System.out.println("汪汪~");
33.     }
34. }
运行结果:
不知道怎么叫
喵喵~
汪汪~

上面的代码,定义了三个类,分别是 Animal、Cat 和 Dog,Cat 和 Dog 类都继承自 Animal 类。obj 变量的类型为 Animal,它既可以指向 Animal 类的实例,也可以指向 Cat 和 Dog 类的实例,这是正确的。也就是说,父类的变量可以引用父类的实例,也可以引用子类的实例。注意反过来是错误的,因为所有的猫都是动物,但不是所有的动物都是猫。

可以看出,obj 既可以是人类,也可以是猫、狗,它有不同的表现形式,这就被称为多态。多态是指一个事物有不同的表现形式或形态。

再比如“人类”,也有很多不同的表达或实现,TA 可以是司机、教师、医生等,你憎恨自己的时候会说“下辈子重新做人”,那么你下辈子成为司机、教师、医生都可以,我们就说“人类”具备了多态性。

多态存在的三个必要条件:要有继承、要有重写、父类变量引用子类对象。

当使用多态方式调用方法时:
· 首先检查父类中是否有该方法,如果没有,则编译错误;如果有,则检查子类是否覆盖了该方法。
· 如果子类覆盖了该方法,就调用子类的方法,否则调用父类方法。

从上面的例子可以看出,多态的一个好处是:当子类比较多时,也不需要定义多个变量,可以只定义一个父类类型的变量来引用不同子类的实例。请再看下面的一个例子:
1. public class Demo {
2.     public static void main(String[] args){
3.         // 借助多态,主人可以给很多动物喂食
4.         Master ma = new Master();
5.         ma.feed(new Animal(), new Food());
6.         ma.feed(new Cat(), new Fish());
7.         ma.feed(new Dog(), new Bone());
8.     }
9. }
10.
11. // Animal类及其子类
12. class Animal{
13.     public void eat(Food f){
14.         System.out.println("我是一个小动物,正在吃" + f.getFood());
15.     }
16. }
17.
18. class Cat extends Animal{
19.     public void eat(Food f){
20.         System.out.println("我是一只小猫咪,正在吃" + f.getFood());
21.     }
22. }
23.
24. class Dog extends Animal{
25.     public void eat(Food f){
26.         System.out.println("我是一只狗狗,正在吃" + f.getFood());
27.     }
28. }
29.
30. // Food及其子类
31. class Food{
32.     public String getFood(){
33.         return "事物";
34.     }
35. }
36.
37. class Fish extends Food{
38.     public String getFood(){
39.         return "";
40.     }
41. }
42.
43. class Bone extends Food{
44.     public String getFood(){
45.         return "骨头";
46.     }
47. }
48.
49. // Master
50. class Master{
51.     public void feed(Animal an, Food f){
52.         an.eat(f);
53.     }
54. }
运行结果:
我是一个小动物,正在吃事物
我是一只小猫咪,正在吃鱼
我是一只狗狗,正在吃骨头

Master 类的 feed 方法有两个参数,分别是 Animal 类型和 Food 类型,因为是父类,所以可以将子类的实例传递给它,这样 Master 类就不需要多个方法来给不同的动物喂食。
动态绑定
为了理解多态的本质,下面讲一下Java调用方法的详细流程。

1) 编译器查看对象的声明类型和方法名。

假设调用 obj.func(param),obj 为 Cat 类的对象。需要注意的是,有可能存在多个名字为func但参数签名不一样的方法。例如,可能存在方法 func(int) 和 func(String)。编译器将会一一列举所有 Cat 类中名为func的方法和其父类 Animal 中访问属性为 public 且名为func的方法。

这样,编译器就获得了所有可能被调用的候选方法列表。

2) 接下来,编泽器将检查调用方法时提供的参数签名。

如果在所有名为func的方法中存在一个与提供的参数签名完全匹配的方法,那么就选择这个方法。这个过程被称为重载解析(overloading resolution)。例如,如果调用 func("hello"),编译器会选择 func(String),而不是 func(int)。由于自动类型转换的存在,例如 int 可以转换为 double,如果没有找到与调用方法参数签名相同的方法,就进行类型转换后再继续查找,如果最终没有匹配的类型或者有多个方法与之匹配,那么编译错误。

这样,编译器就获得了需要调用的方法名字和参数签名。

3) 如果方法的修饰符是private、static、final(static和final将在后续讲解),或者是构造方法,那么编译器将可以准确地知道应该调用哪个方法,我们将这种调用方式 称为静态绑定(static binding)

与此对应的是,调用的方法依赖于对象的实际类型, 并在运行时实现动态绑。例如调用 func("hello"),编泽器将采用动态绑定的方式生成一条调用 func(String) 的指令。

4)当程序运行,并且釆用动态绑定调用方法时,JVM一定会调用与 obj 所引用对象的实际类型最合适的那个类的方法。我们已经假设 obj 的实际类型是 Cat,它是 Animal 的子类,如果 Cat 中定义了 func(String),就调用它,否则将在 Animal 类及其父类中寻找。

每次调用方法都要进行搜索,时间开销相当大,因此,JVM预先为每个类创建了一个方法表(method lable),其中列出了所有方法的名称、参数签名和所属的类。这样一来,在真正调用方法的时候,虚拟机仅查找这个表就行了。在上面的例子中,JVM 搜索 Cat 类的方法表,以便寻找与调用 func("hello") 相匹配的方法。这个方法既有可能是 Cat.func(String),也有可能是 Animal.func(String)。注意,如果调用super.func("hello"),编译器将对父类的方法表迸行搜索。

假设 Animal 类包含cry()、getName()、getAge() 三个方法,那么它的方法表如下:
cry() -> Animal.cry()
getName() -> Animal.getName()
getAge() -> Animal.getAge()

实际上,Animal 也有默认的父类 Object(后续会讲解),会继承 Object 的方法,所以上面列举的方法并不完整。

假设 Cat 类覆盖了 Animal 类中的 cry() 方法,并且新增了一个方法 climbTree(),那么它的参数列表为:
cry() -> Cat.cry()
getName() -> Animal.getName()
getAge() -> Animal.getAge()
climbTree() -> Cat.climbTree()

在运行的时候,调用 obj.cry() 方法的过程如下:
· JVM 首先访问 obj 的实际类型的方法表,可能是 Animal 类的方法表,也可能是 Cat 类及其子类的方法表。
· JVM 在方法表中搜索与 cry() 匹配的方法,找到后,就知道它属于哪个类了。
· JVM 调用该方法。
参考资料:http://www.makeru.com.cn/
java学习交流群:587131012



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