Java程序设计基础 课件 第7章 多态与接口

第七章多态与接口7.1多态7.2多态的支撑技术7.3多态实现7.4多态分析7.5接口本章小结

7.1多态

本章将要介绍的面向对象三大特征的最后一个特征——多态(Polymorphism)，是面向对象编程中非常重要的技术，能增强程序的扩展性，提高程序的可维护性。如果一个语言只支持类而不支持多态，只能说明它是基于对象的，而不是面向对象的。多态是什么？多种形态？这样的回答是将问题还给提问者，任何意义，要理解多态，必须要清楚下列几个问题：

多态发生在什么地方？

多态是怎么发生的？

多态的支撑技术是什么？

多态有什么好处？

并且需要通过程序代码理解和掌握多态，否则就是纸上谈兵。

7.2多态的支撑技术

7.2.1向上转型1.向上转型子类继承父类，如Dog继承Animal，这是继承技术。有了继承才会有向上转型，即父类的引用变量指向子类的对象。这个在现实世界中很好理解：我们看到一只狗，可以说那只狗是一只动物，这种说法是没有问题的，这就是向上转型，其程序语句与内存示意图如图7-1所示。

图7-1向上转型内存示意图

2.向下转型

既然有向上转型，那向下转型呢？如果反过来，用子类的引用变量去指向父类的对象会如何呢？比如：

Dogdog=newAnimal("animal1",20); ×

这样的语句在程序编译阶段会直接报错，为什么呢？

现实世界中，不能随便看到一个动物就说该动物是一条狗，这样的说法是有问题的。当然也有成立的条件：这只动物本身就是一条狗。如果这只动物是别的动物，这个说法就是错误的。谁也不是魔法师，不能指着一条鱼说是狗，这只动物就变成了一条狗。

对于Dog类的引用变量dog而言，Dog类中定义了color成员变量，但是它现在指向的是一个Animal的对象，而在Animal类中并没有定义color成员，Animal对象在堆内存中自然也没有color这个成员，当dog对象想使用color成员的时候也会出错。

父类所有成员是子类所有成员的子集，所以父类的引用变量指向子类对象不会出现问题，只会出现一些成员被屏蔽不可见的情况；但是子类的引用变量指向父类对象，就会缺少一些成员，导致调用成员出错。在实际编程中，向下转型是使用强制类型转换来完成，但是应该谨慎使用，否则就会出现类型转换出错的异常。

7.2.2动态绑定

1.方法绑定

把一个方法与其主体关联起来叫做方法的绑定，方法的主体主要是类或对象。方法的绑定主要分为静态绑定、动态绑定(也可以称为前期绑定、后期绑定)。

2.静态绑定

在程序执行前方法已经与主体绑定，这是由编译器或其他连接程序来实现的，C语言的方法就是典型的静态绑定，在编译之前就可以通过阅读程序知道程序运行的结果。Java中也有静态绑定，如被final、static、private修饰的方法以及构造方法，其它方法都属于动态绑定。

3．动态绑定

动态绑定即方法与方法的主体在运行时才进行绑定。Java的大部分方法都属于动态绑定。Java中的动态绑定是由Java虚拟机来实现的，不用显式地声明；C++则不同，必须明确地声明某个方法具备后期绑定特性。

例如，程序语句“an.move();”中，move方法的调用主体是an，但是an只有在运行时才知道是什么动物，由于向上转型的存在，Animal、Fish、Dog、Bird这些类的对象都可以传递给an，不同类对象调用move()方法的表现是不同的，从这里就可以看出多态的特征了。

7.3多态实现

现在通过一个动物行为展示程序来说明多态的具体实现，该程序需要以下几个类：(1)动物类的父类Animal(也可以使用抽象的动物父类Animal2)；(2)动物类的子类：Dog、Fish和Bird；(3)展示动物信息和行为的类：ShowMoving。这几个类及类关系的UML图如图7-2所示。

图7-2动物类UML图

程序结果：

7.4.1多态发生的地方上述动物展示的程序中，多态发生在showMove()方法上，该函数传入的参数对象为Animal2类型。在运行该方法时，由实际传入的具体对象来展示动物的信息及行为。如图7-3所示，可以看出多态的支撑技术以及其发生的地方。

7.4多态分析

图7-3多态的发生

7.4.2多态的作用

例如，对类ShowMoving来说，如果没有动态绑定，没有向上转型，那么该类要展示动物类，就会变成这样：

展示Fish类的showMove方法：

展示Dog类的showMove方法：

展示Bird类的showMove方法：

也就是说，ShowMoving类中会有很多showMove方法的重载，用以适应各种动物。当程序需要展示更多的动物类时，必须一是完成动物子类的编写；二是在ShowMoving类中重载对应的showMove()方法，而这些方法的方法体中都是相同的代码：“an.showInfo();”和“an.move();”，这样就会在该类中出现很多重复代码，并且难以维护。

有了多态，就可以发现在前面编写的程序中，不管增加多少个动物子类，对于ShowMoving类的showMove()方法都是不用改变的，而要展示更多的动物子类行为，只需完成动物子类的编写，生成对象交给showMove()方法，就可以展示出该动物子类对象的行为。通过方法showMove(Animal2animal)，我们知道，只要是实现了抽象类Animal2的子类，都可以将自己的对象传入这个函数以展示自己的行为。多态消除了重复代码，程序的扩展性和维护性得到了增强。

7.5接口

7.5.1接口声明接口的定义和类的定义很相似，分为接口的声明和接口体，只是使用关键字interface代替了关键字class：

接口体中包含常量的声明(即使用final修饰的成员变量)和抽象方法两部分。由于全是抽象方法，所以abstract修饰符可以省略不写。接口体中所有的常量、所有的抽象方法的访问权限都是public(可以省略public修饰符)。下面我们通过一个实例将Animal2抽象类的两个方法抽取出来形成一个接口。

编译该接口，可以看到该接口源文件名还是Showable.java，编译之后的字节码文件还是Showable.class。

为什么接口的名字很多都加上了一个后缀able？这是大多数程序员的习惯，也算是一种命名风格，如定义的这个Showable接口，该接口名暗示我们：谁实现这个接口，谁就具有显示信息和展示行为的能力(也体现在两个方法的声明上)。

7.5.2实现接口

实现接口是指某个类通过继承的方式获得接口定义的方法，然后将接口中所有的抽象类的方法实现为非抽象方法。实现接口的类称为该接口的实现类。实现接口是使用implements关键字完成的：

从语法上说，一个类要实现一个接口就要将该接口的所有非抽象方法都实现(让方法具有方法体，如果方法体是空的{}，则称为空实现)；如果只是实现了部分抽象方法，按照抽象类的定义，该类就应该声明为一个抽象类。

一个类只能继承一个父类，但可以同时实现多个接口，如：

上述程序段的意思是：Dog类继承了Animal类，获得了Animal的成员，并且实现了Eatable和Sleepable，实现接口就具备了接口定义的能力，所以Dog类就可以eat，可以sleep了。

下面编写一个石头Stone类实现Showable接口。

Stone实现类实现接口Showable的UML图如图7-4所示。图7-4接口实现的UML图

7.5.3接口与多态

下面来看如图7-5所示三组关系，并思考这三组关系的演变。图7-5继承与实现

父类与子类是继承关系，抽象类与实现类实质上也是继承关系，接口是完全抽象类，所以接口与实现类也可以视为继承关系(实现类获得并重写了接口定义的成员方法)，因此接口与实现类之间同样可以进行向上转型：接口类型的引用变量指向实现类的对象。

上面使用继承来实现多态时，ShowMoving类暗示：只要是动物类的子类都可以进入到该类的showMove()方法中展示自己的信息与行为，程序局限于只能对动物类的子类进行展示。而刚刚编写的Stone类从现实世界的观点来看，不应该是动物类的子类；从语法的角度来看，Java是单继承，Stone如果继承了其它类，就不能再继承动物类(Java并不支持多继承)，那么，如何让Stone类也能够进入到ShowMoving类中展示自己的信息和行动呢？这就需要使用接口的方式实现多态。下面在以上继承实现多态的基础上进行改写。

(4)各个动物类的子类Fish、Dog、Bird均不变。

程序结果：

7.5.4面向接口编程

1.关于接口的几点认识

(1)接口的定义关心的是做什么，具体怎么做是由其实现类来完成的。

(2)接口体现的是一种规范，对于接口的实现者而言，接口规定了实现者必须向外提供哪些服务(方法对外提供服务与功能)；对于接口的调用者而言，接口规定了调用者可以调用哪些方法，获得哪些服务，以及如何调用这些服务。

(3)当在一个程序中使用接口时，接口是多个模块间的耦合标准；当在多个应用程序之间使用接口时，接口是多个程序之间的通信标准。

(4)接口作为系统与外界交互的窗口，体现的是一种规范。从某种程度上来看，接口类似于整个系统的“总纲”或“框架”，它制定了系统各模块应该遵循的标准。

所以，接口体现的是一种规范和实现分离的设计理念，充分利用接口可以很好地降低程序各模块之间的耦合性，从而提高系统的可扩展性和可维护性。

2.面向接口编程(Interface-OrientedProgramming)

我们开始是使用继承来实现多态的，之后我们把要展示的两个方法showInfo()和move()抽取出来，放到Showable接口中，使用接口实现多态，然后发现程序的扩展性变得更强，具体的接口和类的结构如图7-6所示。

图7-6面向接口编程的UML图

如果能事先根据程序的需求预先定义好接口，由接口来定义规范搭建程序的框架，然后面向接口编程，编写具体的实现类，就会发现程序的扩展性和可维护性获得了增强，并且程序中的耦合性降低了，这是面向对象编程所希望做到的，也是面向接口编程的主要思想。

本章小结

1．实现多态程序需要的基本支撑技术包括继承、动态绑定、向上转型。2．动态绑定即Java的方法都是有主体的，只有当方法被调用的时候，才会和方法的主体进行绑定。3．向上转型即父类的引用变量可以指向子类的对象。4．使用继承来实现多态程序，程序的扩展性可以这样描述：只要是Animal类的子类，都能够进入到多态方法中展示自己的行为。

5．使用接口来实现多态程序，程序的扩展性可以这样描述：谁实现了相应的接口，谁就能进入到多态方法中展示自