面向对象 06：三大特性之——多态，多态的基本概念和相关使用，关键字 instanceof，以及对象间的类型转换

一、前言

记录时间 [2024-05-14]

系列文章简摘：
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
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

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——多态。通过案例分析，介绍了多态的基本概念、相关使用，以及优缺点等。此外，文章还讲述了关键字 instanceof 的使用方式，以及对象之间的类型转换。

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、什么是多态

1. 基本概念

多态（Polymorphism）是面向对象编程的一个核心特性，即同一方法可以根据发送对象的不同而采用多种不同的行为方式。

多态允许使用父类类型的引用来指向子类的对象，从而使得代码更具通用性、可扩展性和可维护性。

Java 实现多态主要依赖于以下几个关键概念：

  • 继承与多态：
    • 多态的实现基于继承，即一个子类可以从父类继承方法，然后可以根据需要重写这些方法来改变其行为。
    • 当一个父类引用指向子类对象时，可以调用子类重写的方法，尽管引用的静态类型是父类，这就是多态的表现。
  • 方法重写（Override）：
    • 子类可以重写（Override）父类的方法，提供自己特定的实现。这是实现多态的重要手段。
    • 重写的方法需要有相同的签名（方法名、返回类型以及参数列表）。
  • 动态绑定（Dynamic Binding / Late Binding）：
    • 在 Java 中，方法的调用是在运行时绑定的，这意味着实际执行哪个版本的方法（父类的还是子类的）取决于实际对象的类型，而不是引用的类型。这一过程称为动态绑定或晚期绑定。
  • 抽象类与接口：
    • 抽象类和接口为多态提供了另一种形式的实现。它们定义了方法的合同，具体的实现由子类完成，这增加了系统的灵活性和可扩展性。

2. 多态的优缺点

多态的优势：

  • 灵活性：可以使用统一的接口来操作各种类型的对象，减少代码耦合度。
  • 可扩展性：增加软件的可扩展性，易于添加新的子类而不影响现有的体系结构。
  • 简化性：提高代码的可读性和可维护性，特别是在处理大量对象时。

多态的限制：

  • 多态通常只适用于方法，不适用于属性。即使子类中重写了父类的属性，父类引用也只能访问到父类定义的属性。
  • 当使用父类引用调用一个方法时，只能访问到在父类中定义过的方法，不能访问子类特有的方法。
  • 由于动态绑定，某些情况下可能会牺牲部分运行效率；过多使用向上转型可能使代码的意图不够明确。

3. 案例分析

在 Java 中，一个对象实际类型是确定的，但它可以指向的引用类型是不确定的，比如：父类的引用指向子类。

准备两个父子关系的类

举例说明，准备两个父子关系的类，其中，Animal 是父类，Dog 是子类。

在父类中写了一个方法 sound()

// Animal 父类
public class Animal {// 在父类中写了一个方法 sound()，然后将该方法在子类中重写public void sound() {System.out.println("Animal makes a sound");}}

在子类中重写了从父类中继承的 sound() 方法，同时，写了一个子类中特有的方法 play()

// Dog 子类
public class Dog extends Animal {// 在子类中重写了从父类中继承的 sound() 方法@Overridepublic void sound() {System.out.println("Dog barks");}// 写了一个子类中特有的方法 play()public void play() {System.out.println("Dog plays");}}

引用对象实例化

对于子类 Dog，它能调用的方法是自己的，或者从父类那里继承的。

父类引用可以指向子类，我们可以将父类 Animal 的引用指向子类 Dog，也可以将 Object 的引用指向子类 Dog。

public class Application {public static void main(String[] args) {// 一个对象实际类型是确定的
//        new Dog();
//        new Animal();// 可以指向的引用类型是不确定的，比如：父类的引用指向子类// 子类 Dog 能调用的方法是自己的，或者从父类那里继承的Dog dog = new Dog();// 父类 Animal 可以指向子类Animal animal = new Dog();Object obj = new Dog();}}

进行测试

测试一

子类重写了父类的方法，父类对象执行子类的方法。

// 子类重写了父类的方法，父类对象执行子类的方法animal.sound();		// 调用子类方法 Dog barks
dog.sound();		// 调用子类方法 Dog barks

在这个例子中，Animal 是父类，Dog 是子类。尽管 animal 被声明为 Animal 类型，但它实际上指向的是 Dog 类的一个实例。因此，调用 sound() 方法时，执行的是 Dog 类中重写的方法，这就是多态性的体现。

测试二

父类可以指向子类，但不能调用子类独有的方法。

对象能调用哪些方法，主要看对象左边的类型，和右边关系不大。

// 父类可以指向子类，但不能调用子类独有的方法
// animal.play();
dog.play();

在这个例子中，Animal 是父类，Dog 是子类。尽管 animal 实际上指向的是 Dog 类的一个实例，但不能调用 Dog 类独有的方法 play()，该方法只有 Dog 类型的实例能调用。


4. 注意事项

以下是一些关于多态的注意事项：

注意事项：1. 多态是方法的多态，属性没有多态。2. 有联系的类才能进行类型转换（比如父类和子类），否则会抛出类型转换异常（ClassCastException）。3. 多态存在条件：继承关系，方法需要重写，父类引用指向子类  Father f1 = new Son();不能被重写的方法：1. static 方法，属于类，不属于实例2. final 常量类型3. private 私有类型补充：1. 子类重写了父类的方法，父类对象执行子类的方法。2. 父类可以指向子类，但不能调用子类独有的方法。

三、关键字 instanceof

1. 基本概念

instanceof 是 Java 中的一个关键字，用于判断一个对象是否属于某个类或其子类（或者实现了某个接口）。

使用 instanceof 的一个典型场景是在需要确定对象的具体类型，以便进行特定类型的操作时。

但要，频繁使用 instanceof 可能意味着设计不够面向对象，因为良好的面向对象设计倾向于使用多态来处理不同类型的对象，而不是通过类型检查来分支逻辑。

其语法形式如下：

object instanceof ClassName

其中，object 是要检查的对象，ClassName 是类名或接口名。

如果 object 是 ClassName 类的实例，或者是其子类的实例，或者是实现了 ClassName 接口的类的实例，那么 instanceof 表达式的结果就是 true；否则，结果是 false。


2. 案例分析

准备父子类和实例对象

例如，有五个类：Object、Animal、Dog、Cat、String。

其中，Object 是 Animal 的父类，Animal 是 Dog 和 Cat 的父类。String 是 Object 的子类。

父子关系：

Object > String
Object > Animal > Dog
Object > Animal > Cat

准备一些实例对象：

// 正常的实例化
Object object = new Object();
Animal animal = new Animal();
Dog dog = new Dog();// 向上转型，父类引用指向子类实例，实际是子类的对象
Object object2 = new Dog();
Animal animal2 = new Dog();

使用 instanceof 判断

判断 object 对象与上述五个类之间的关系。

// Object > String
// Object > Animal > Dog
// Object > Animal > CatSystem.out.println("Object object = new Object();");System.out.println(object instanceof Object);   // true
System.out.println(object instanceof Animal);   // false
System.out.println(object instanceof Dog);      // false
System.out.println(object instanceof Cat);      // false
System.out.println(object instanceof String);      // false

思考：通过 Object object = new Object(); 实例化 object 对象。

  • object 是 Object 类的对象，object instanceof Object 为 true；
  • object 既不是其他四个类的对象，也不是四个类的子类的对象，故比较为 false。

同理，判断 object2 对象与上述五个类之间的关系。

// Object > String
// Object > Animal > Dog
// Object > Animal > Cat// 向上转型，父类引用指向子类实例，实际是子类的对象
Object object2 = new Dog();System.out.println("Object object2 = new Dog();");System.out.println(object2 instanceof Object);  // true
System.out.println(object2 instanceof Animal);  // true
System.out.println(object2 instanceof Dog);     // true
System.out.println(object2 instanceof Cat);     // false
System.out.println(object2 instanceof String);     // false

思考：通过 Object object2 = new Dog(); 实例化 object 对象。

  • object2 是 Dog 类的对象，object2 instanceof Dog 为 true；
  • object2 是 Object 类的子类的对象，object2 instanceof Object 为 true；
  • object2 是 Animal 类的子类的对象，object2 instanceof Animal 为 true；
  • object2 既不是 Cat 和 String 类的对象，也不是它们的子类的对象，故比较为 false。

完整的 instanceof 比较

完整的 instanceof 比较如下：

public class Application {public static void main(String[] args) {// instanceofObject object = new Object();Animal animal = new Animal();Dog dog = new Dog();Object object2 = new Dog();Animal animal2 = new Dog();System.out.println("Object object = new Object();");System.out.println(object instanceof Object);   // trueSystem.out.println(object instanceof Animal);   // falseSystem.out.println(object instanceof Dog);      // falseSystem.out.println(object instanceof Cat);      // falseSystem.out.println(object instanceof String);      // falseSystem.out.println("Animal animal = new Animal();");System.out.println(animal instanceof Object);   // trueSystem.out.println(animal instanceof Animal);   // trueSystem.out.println(animal instanceof Dog);      // falseSystem.out.println(animal instanceof Cat);      // false
//        System.out.println(animal instanceof String);      // 编译时报错System.out.println("Dog dog = new Dog();");System.out.println(dog instanceof Object);      // trueSystem.out.println(dog instanceof Animal);      // trueSystem.out.println(dog instanceof Dog);         // true
//        System.out.println(dog instanceof Cat);     // 编译时报错
//        System.out.println(dog instanceof String);     // 编译时报错System.out.println("Object object2 = new Dog();");System.out.println(object2 instanceof Object);  // trueSystem.out.println(object2 instanceof Animal);  // trueSystem.out.println(object2 instanceof Dog);     // trueSystem.out.println(object2 instanceof Cat);     // falseSystem.out.println(object2 instanceof String);     // falseSystem.out.println("Animal animal2 = new Dog();");System.out.println(animal2 instanceof Object);  // trueSystem.out.println(animal2 instanceof Animal);  // trueSystem.out.println(animal2 instanceof Dog);     // trueSystem.out.println(animal2 instanceof Cat);     // false
//        System.out.println(animal2 instanceof String);     // 编译时报错}}

四、类型转换

1. 基本概念

在 Java 中，有继承关系的对象之间的转换主要涉及向上转型（Upcasting）和向下转型（Downcasting）。

  • 向上转型（Upcasting）：这是 Java 中最常见的对象转换形式，也是自动进行的，无需显式转换。将子类对象赋值给父类引用时，就发生了向上转型。向上转型是安全的，因为子类对象可以视为是父类类型的特殊实例。
  • 向下转型（Downcasting）：这是将父类引用转换为子类类型的过程，必须显式进行。因为向下转型可能导致类型不匹配的问题（比如父类引用实际上并未指向子类对象），所以需要使用 (子类类型) 父类引用 的语法，并且最好在转换前使用 instanceof 检查，以避免 ClassCastException。

尝试将一个对象转换为与之无继承关系的类型时，Java 会在编译时报错。如果使用强制类型转换，运行时则会抛出 ClassCastException 异常。


2. 案例分析

向上转型，例如，将子类对象赋值给父类引用。

// 子类对象赋值给父类引用
Father father = new Son();

向下转型，例如，将父类强制转换成子类。

// 将父类强制转换成子类
// 注意使用 instanceof 检查，保证转换安全性
((Son)father);

还是以上面的类为例，准备两个父子关系的类，其中，Animal 是父类，Dog 是子类。

  • 在父类 Animal 中写了一个方法 sound()；
  • 在子类 Dog 中重写了从父类中继承的 sound() 方法，同时，写了一个子类中特有的方法 play()
public class Application {public static void main(String[] args) {// 对象类型之间的转换// 向上转型：子类对象赋值给父类引用// 自动完成Animal obj = new Dog();// 向下转型：将父类强制转换成子类// 这样就可以调用子类私有的方法了((Dog)obj).play();}}

五、总结

本文讲述面向对象编程的三大特性之——多态。通过案例分析，介绍了多态的基本概念、相关使用，以及优缺点等。此外，文章还讲述了关键字 instanceof 的使用方式，以及对象之间的类型转换。


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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