面向对象 05：三大特性之——继承，继承在 Java 中的相关使用，区分关键字 super 和 this，方法重写的注意点

一、前言

记录时间 [2024-05-13]

系列文章简摘：
面向对象 01：Java 面向对象相关内容整体概述
面向对象 02：区分面向过程与面向对象，类和对象的关系
面向对象 03：类与对象的创建、初始化和使用，通过 new 关键字调用构造方法，以及创建对象过程的内存分析
面向对象 04：三大特性之——封装，封装的含义和作用，以及在 Java 中的使用方式，附完整的测试案例代码

更多 Java 相关文章，请参考专栏哦。

本文讲述面向对象编程的三大特性之——继承。通过案例分析，讲述了继承的概念，及其在 Java 中的相关使用。此外，文章详细介绍了关键字 super 和 this 的区别，还有方法重写的注意点。

面向对象编程（Object-Oriented Programming, OOP）的三大特性是封装、继承和多态，这三大特性是 OOP 的基础，为设计灵活、可维护和可扩展的软件系统提供了核心机制。

这三个特性共同构成了面向对象编程的基础，使开发者能够设计出高内聚、低耦合的软件系统，促进了软件工程的高效管理和复杂问题的有效解决。

  • 高内聚：一个模块内部各个组成部分（如类的方法、函数、变量等）之间应该紧密关联，共同完成一个具体且单一的功能，不允许外部干涉。
  • 低耦合：各模块之间的依赖关系应该尽可能地减少和简化，一个模块应尽量少地依赖其他模块，模块之间的接口应清晰、简单，且只暴露必要的功能给外部使用。

二、什么是继承

1. 概述

继承是面向对象编程中的一个基本概念，它允许创建一个新类（称为子类、派生类或扩展类）来继承现有类（称为父类、基类或超类）的特性和行为。例如，学生属于人类，老师也属于人类，那么学生和老师作为子类，都继承了人类这个父类。

继承的本质是对某一批类的抽象，从而实现对现实世界更好的建模。

在 Java 语言中，只允许一个类直接继承自另一个类，这是单继承。

子类继承父类，使用 extends 关键字。即，子类是父类的扩展。

继承应当用来表达类与类之间的 is-a 关系，即，子类是父类的一种特殊类型。

除继承外，类与类之间的关系还有依赖、组合、聚合等等。

继承的主要目的是促进代码的复用性和模块化设计，从而减少代码重复并提高程序的可维护性。设计时应当谨慎使用继承，避免滥用导致体系结构过于复杂，提倡使用组合和接口作为替代方案，以保持设计的灵活性和可维护性。


2. 基本特征

继承的基本特征主要有如下这些：

  • 属性和方法的继承：子类自动获得父类中所有非私有（public 和 protected）的属性和方法。这意味着子类可以使用或重写这些特性而无需重新实现它们。
  • 代码重用：通过继承，子类可以重用父类的代码，无需从头开始编写相同的功能，这样可以减少开发时间和潜在的错误。
  • 层次结构：继承有助于建立类的层次结构，使得类之间的关系更加清晰，反映出现实世界中的对象分类。
  • 多态性：继承是实现多态性的基础，即子类对象可以被视为父类对象使用，这样可以在不修改现有代码的情况下引入新的子类对象。
  • 类型兼容性：在大多数面向对象的编程语言中，子类对象被视为是其父类类型的对象，这称为向上转型 upcasting。
  • 构造函数与初始化：尽管子类继承父类的属性和方法，但构造函数不会被继承。子类构造函数可以通过 super 关键字（或相关语言的等价物）显式或隐式地调用父类的构造函数来初始化父类的成员。
  • 访问权限：继承还涉及到访问权限控制，比如 Java 中的 public、protected、private 修饰符，决定了哪些成员在继承体系中是可见和可访问的。

3. 案例分析

在 Java 中，子类继承父类，使用 extends 关键字。

下面使用动物类、狮子、长颈鹿，这三个类的关系，模拟 Java 中的继承。

动物类作为父类 / 基类；狮子、长颈鹿作为两个子类，都继承动物类：

// Animal：父类
public class Animal {}// Lion：子类 / 派生类
public class Lion extends Animal {}// Giraffe：子类 / 派生类
public class Giraffe extends Animal {}

三、如何使用继承

1. 子类继承父类

子类自动获得父类中所有非私有（public 和 protected）的属性和方法。

例如，在 Animal 类中编写一个方法 shout()，其子类 Lion 和 Giraffe 也可以使用这个方法。

在 Animal 类中编写一个属性 category，其子类 Lion 和 Giraffe 也可以使用属性。

// Animal：父类
public class Animal {// 父类中的属性public String category = "animal";// 父类中的方法public void shout() {System.out.println("the animal is shouting");}}

使用方式：

public class Application {public static void main(String[] args) {Lion lion = new Lion();// 子类继承父类的方法lion.shout();// 子类继承父类的属性System.out.println(lion.category);}
}

2. 封装私有属性

但是，当父类中的属性是私有 private 时，子类就无法使用了。方法同理。

私有的东西无法被继承。

例如，当 Animal 类中的属性 category 为 private 时，其子类 Lion 和 Giraffe 便无法使用。

解决方式：

根据封装思想，我们可以为属性 category 预留一些可操作的方法，比如 Getter 和 Setter 方法。

private String category = "animal";public String getCategory() {return category;
}public void setCategory(String category) {this.category = category;
}

3. Object 类

在面向对象编程中，继承树描述了一个或多个类之间的继承关系，形象地展示了类的层次结构。每个节点代表一个类，根节点通常是抽象类或者基类，没有父类，而叶子节点是具体类，不再有子类继承。

在 IDEA 中，通过快捷键 Ctrl+H 可以快速查看继承树。

在 Java 中，所有类都默认直接或间接地继承自 Object 类。

Object 类是 Java 类层次结构的根类，它位于 java.lang 包中。如果在定义一个类时没有明确指定其父类，那么这个类将自动继承 Object 类。

Object 类提供了许多通用的方法，这些方法在很多类中都会用到，例如：

  • toString()：返回该对象的字符串表示。
  • equals(Object obj)：比较两个对象是否相等。
  • hashCode()：返回该对象的哈希码值。
  • getClass()：返回此 Object 的运行时类。
  • clone()：创建并返回此对象的一个副本。
  • notify(), notifyAll(), wait()：用于线程间的通信。
  • finalize()：在垃圾回收器确定不再有对该对象的引用之前，由对象的垃圾回收器调用。

由于所有类都是 Object 的子类，因此任何对象都可以调用 Object 类中的这些方法。如果需要，子类可以重写这些方法以提供更具体的实现。


四、关键字 super

1. 概述

在 Java 中，super 是一个关键字，用于引用父类（基类）的成员变量、方法或构造函数。

主要用于以下几个场景：

  • 访问父类的成员变量： 当子类中定义了与父类同名的成员变量（即变量重写或遮蔽），想要在子类中访问父类的该变量时，可以使用 super.变量名 的形式。
  • 调用父类的方法： 如果子类重写了父类的方法，但又想在子类方法内部调用父类中被重写的方法，可以使用 super.方法名(参数列表)。
  • 调用父类的构造函数： 在子类的构造函数中，通过 super(参数列表) 形式调用父类的特定构造函数。这必须是子类构造函数中的第一个语句，并且只能出现一次。这样做是为了确保父类的成员被正确初始化。

2. 注意事项

正确使用 super 可以帮助实现代码的清晰性和逻辑的正确性，特别是在复用和扩展父类功能的场景下。

  • 使用 super 是基于继承关系的，只有在子类中才有意义。
  • super 不仅可以访问直接父类的成员，理论上可以通过多层继承链，间接访问到更上层祖先类的成员，只要这些成员在访问权限允许的范围内。
  • super 和 this 有相似之处，但 this 用于引用当前对象或当前类的成员，而 super 则用于引用父类的成员。
  • 当没有明确指定调用父类构造函数时，编译器会自动插入一个对父类无参构造函数的调用。如果父类没有无参构造函数，子类构造函数必须显式调用带有适当参数的父类构造函数。

3. 案例分析

在子类中访问父类变量

在子类中访问父类变量，使用 super.变量名 的形式；访问子类内部变量，使用 this.变量名 的形式。

接下来使用上面的 Animal 类，及其子类 Lion 编写测试案例。

Step 1：在父类 Animal 中新增 protected 属性 name

protected String name = "Animal";

Step 2：在子类 Lion 中新增 private 属性 name，以及测试方法 testName(String name)

// Lion：子类 / 派生类
public class Lion extends Animal {private String name = "Lion";public void testName(String name) {System.out.println(name);System.out.println(this.name);System.out.println(super.name);}}

Step 3：在测试类中进行测试

Lion lion = new Lion();
lion.testName("test");

Step 4：得到结果

# test 是测试类传入方法的局部变量
test# Lion 是 this 关键字指向的当前类中的变量
Lion# Animal 是 super 关键字指向的父类中的变量
Animal

在子类中访问父类方法

在子类中访问父类方法，使用 super.方法名(参数列表) 形式；访问子类内部方法，使用 this.方法名(参数列表) 的形式。

接下来使用上面的 Animal 类，及其子类 Giraffe 编写测试案例。

Step 1：在父类 Animal 中新增方法 print()

public void print() {System.out.println("父类打印内容：Animal");
}

Step 2：在子类 Giraffe 中同样新增方法 print()，以及测试方法 testPrint()

// Giraffe：子类 / 派生类
public class Giraffe extends Animal {public void print() {System.out.println("子类打印内容：Giraffe");}public void testPrint() {print();this.print();super.print();}}

Step 3：在测试类中进行测试

Giraffe giraffe = new Giraffe();
giraffe.testPrint();

Step 4：得到结果如下，进一步说明了使用好关键字，可以很好地避免混淆和歧义。

# print(); 语句打印的内容，调用了子类的方法
子类打印内容：Giraffe# this.print(); 语句打印的内容，调用了子类的方法
子类打印内容：Giraffe# super.print(); 语句打印的内容，调用了父类的方法
父类打印内容：Animal

子类调用父类构造

在子类的构造函数中，通过 super() 形式调用父类的无参构造函数；通过 super(参数列表) 形式调用父类的有参构造函数。

  • 当没有明确指定调用父类构造函数时，编译器会自动插入一个对父类无参构造函数的调用。
  • 如果父类没有无参构造函数，子类构造函数必须显式调用带有适当参数的父类构造函数。

调用父类构造函数，必须是子类构造函数中的第一个语句，并且只能出现一次。

接下来通过案例进行分析：

Step 1：给父类 Animal 显式地定义一个无参构造函数

public Animal() {System.out.println("Animal 无参构造执行了");
}

Step 2：新建子类 Dog，继承父类 Animal，在 Dog 中显式地定义一个无参构造函数

public class Dog extends Animal{public Dog() {System.out.println("Dog 无参构造执行了");}
}

Step 3：在测试类中实例化 Dog 对象，并进行测试

Dog dog = new Dog();

Step 4：得到结果，发现子类和父类的无参构造方法都执行了

# 得到结果
# 发现子类和父类的无参构造方法都执行了
Animal 无参构造执行了
Dog 无参构造执行了

说明子类实例化时，会默认调用父类的构造方法。

相当于在子类构造方法中，隐藏了代码 super();

public Dog() {// 隐藏代码，调用了父类的无参构造super();    // 调用父类构造器，必须在子类构造器的第一行System.out.println("Dog 无参构造执行了");
}

4. super 和 this

下面是有关 super 的注意点，以及 super 和 this 的区别。

super 注意点:1. super 调用父类的构造方法，必须在构造方法的第一个2. super 必须只能出现在子类的方法或者构造方法中3. super 和 this 不能同时调用构造方法VS this:代表的对象不同this: 本身调用者这个对象super: 代表父类对象的应用前提this: 没有继承也可以使用super: 只能在继承条件才可以使用构造方法this(): 本类的构造super(): 父类的构造

五、方法重写

1. 概述

方法重写（Override）是面向对象编程中的一个重要概念。它允许子类提供一个与其父类具有相同名称、返回类型和参数列表的方法实现。当子类的对象调用这个方法时，将执行子类中重写后的方法，而不是父类中的原始版本。这为多态性提供了基础，使得子类能够表现出与父类不同的行为。

方法重写应用场景：接口、抽象类等。

要进行方法重写，需要遵循以下规则：

  • 方法名、返回类型和参数列表必须与父类方法完全匹配。
  • 访问权限不能比父类中被重写的方法更严格。
    • 如果父类中的方法是 public 的，子类中的重写方法不能是 private 或 protected；
    • 子类可以增加访问权限，比如将父类的 protected 方法改为 public。
  • 静态方法不能被重写。
    • 静态方法属于类，而不是实例；
    • 即使子类定义了一个与父类同名的静态方法，这也被认为是两个独立的方法，而不是重写。
  • 最终方法（final methods）不能被重写。
    • 父类中被声明为 final 的方法表示其设计为不允许子类改变其行为。
  • @Override 注解：虽然不是强制性的，但在方法声明前添加 @Override 注解是一个好习惯。编译器会检查是否正确地重写了父类的方法，如果方法签名不匹配，编译时会报错。

2. 静态方法不能重写

在 Java 中，静态方法不能被重写的原因主要在于静态方法是属于类本身的，而非实例，因此不参与面向对象的多态行为。

即使子类定义了一个与父类同名的静态方法，这也被认为是两个独立的方法，而不是重写。

下面通过一个具体的例子来说明这一点：

假设有一个父类 Parent，其中包含一个静态方法 printMessage()，以及一个子类 Child，也在尝试定义一个同名的静态方法 printMessage()。

编写父类 Parent

class Parent {public static void printMessage() {System.out.println("这是父类的静态方法");}
}

编写子类 Child

class Child extends Parent {public static void printMessage() {System.out.println("这是子类的静态方法");}
}

编写测试类

  • 静态方法可以直接通过类名调用
  • 通过对象实例调用，尽管不推荐，但也是可行的
public class Main {public static void main(String[] args) {// 直接通过类名调用Parent.printMessage(); 		// 输出 "这是父类的静态方法"Child.printMessage(); 		// 输出 "这是子类的静态方法"// 通过对象实例调用，尽管不推荐，但也是可行的// 通过父类引用指向子类实例Parent parentInstance = new Child();parentInstance.printMessage(); 		// 依然输出 "这是父类的静态方法"，说明不是重写行为}
}

从上面的例子可以看出，尽管 Child 类定义了自己的 printMessage() 静态方法，但这并不构成重写，因为当通过父类引用指向子类实例并调用静态方法时，打印的是父类的静态方法内容。

这表明静态方法的调用是基于其所属类的类型，而非实例的运行时类型，证明了静态方法的调用是在编译时期就已经确定的，即静态绑定。

当直接通过子类引用调用时，会调用子类的静态方法，但如果希望通过父类引用访问到子类的静态方法，这是不可能的，这进一步说明静态方法不支持多态性。


3. 常规方法重写

子类重写父类的方法，一定是非静态的。

假设有一个父类 Mother，其中包含一个非静态方法 printMessage()，以及一个子类 Kid，也在尝试定义一个同名的非静态方法 printMessage()。

当通过父类引用指向子类实例并调用方法时，打印的是子类的方法内容，说明构成了方法重写。

class Mother {public void printMessage() {System.out.println("这是父类的静态方法");}
}class Kid extends Mother {// 方法快速重写：右键 Generate ==> Override Methods@Override	// 注解，有功能的注释public void printMessage() {System.out.println("这是子类的静态方法");}
}public class OverrideNotStatic {public static void main(String[] args) {// 通过对象实例调用，通过父类引用指向子类实例Mother motherInstance = new Kid();// 输出 "这是子类的静态方法"，子类重写了父类的方法motherInstance.printMessage();}
}

4. 方法重写注意点

下面是有关方法重写注意点：

重写: 需要有继承关系，子类重写父类的方法1. 方法名必须相同2. 参数列表列表必须相同3. 修饰符: 范围可以扩大但不能缩小     public > protected > default > private4. 抛出的异常: 范围可以被缩小，但不能扩大     Exception(大) --> ClassNotFoundException(小)重写，子类的方法和父类必要一致，方法体不同。为什么需要重写:1．父类的功能，子类不一定需要，或者不一定满足

六、总结

本文讲述面向对象编程的三大特性之——继承。通过案例分析，讲述了继承的概念，及其在 Java 中的相关使用。此外，文章详细介绍了关键字 super 和 this 的区别，还有方法重写的注意点。


一些参考资料

狂神说 Java 零基础：https://www.bilibili.com/video/BV12J41137hu/
TIOBE 编程语言走势： https://www.tiobe.com/tiobe-index/
Typora 官网：https://www.typoraio.cn/
Oracle 官网：https://www.oracle.com/
Notepad++ 下载地址：https://notepad-plus.en.softonic.com/
IDEA 官网：https://www.jetbrains.com.cn/idea/
Java 开发手册：https://developer.aliyun.com/ebook/394
Java 8 帮助文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/

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