对于面向对象的程序设计语言,多型性是第三种最基本的特征,前两种是数据抽象和继承。
“多形性”(Polymorphism)从另一个角度将接口从具体的实施细节中分离出来,亦即实现了“是什么”与“怎样做”两个模块的分离。利用多形性的概念,代码的组织以及可读性均能获得改善。此外,还能创建“易于扩展”的程序。无论在项目的创建过程中,还是在需要加入新特性的时候,它们都可以方便地“成长。
1.上溯造型
将一个对象作为它自己的类型使用,或者作为它的基础类型的一个对象使用。取得
一个对象句柄,并将其作为基础类型句柄使用的行为就叫作“上溯造型”——因为继承树的画法是基础类位于最上方。
package c07; class Note { private int value; private Note(int val) { value = val; } public static final Note middleC = new Note(0), cSharp = new Note(1), cFlat = new Note(2); } class Instrument { public void play(Note n) { System.out.println("Instrument.play()"); } } // Wind objects are instruments // because they have the same interface: class Wind extends Instrument { // Redefine interface method: public void play(Note n) { System.out.println("Wind.play()"); } } public class Music { public static void tune(Instrument i) { // ... i.play(Note.middleC); } public static void main(String[] args) { Wind flute = new Wind(); tune(flute); // Upcasting } }
其中,方法 Music.tune()接收一个Instrument 句柄,同时也接收从Instrument 衍生出来的所有东西。当一个Wind 句柄传递给 tune()的时候,就会出现这种情况。
为什么要上溯造型
这个程序看起来也许显得有些奇怪。为什么所有人都应该有意忘记一个对象的类型呢?进行上溯造型时,就可能产生这方面的疑惑。而且如果让tune()简单地取得一个Wind 句柄,将其作为自己的自变量使用,似乎会更加简单、直观得多。但要注意:假如那样做,就需为系统内Instrument 的每种类型写一个全新的tune()。
假设按照前面的推论,加入 Stringed(弦乐)和 Brass(铜管)这两种Instrument(乐器):
...... public class Music2 { public static void tune(Wind2 i) { i.play(Note2.middleC); } public static void tune(Stringed2 i) { i.play(Note2.middleC); } public static void tune(Brass2 i) { i.play(Note2.middleC); } public static void main(String[] args) { Wind2 flute = new Wind2(); Stringed2 violin = new Stringed2(); Brass2 frenchHorn = new Brass2(); tune(flute); // No upcasting tune(violin); tune(frenchHorn); } }
这样写会增加大量代码,类型的整个操作过程就显得极难管理,有失控的危险。
2.深入理解
对于Music.java 的困难性,可通过运行程序加以体会。输出是Wind.play()。这当然是我们希望的输出,但它看起来似乎并不愿按我们的希望行事。
它接收Instrument 句柄。所以在这种情况下,编译器怎样才能知道 Instrument句柄指向的是一个 Wind,而不是一个Brass 或Stringed 呢?编译器无从得知。为了深入了理解这个问题,我们有必要探讨一下“绑定”这个主题。
2.1方法调用的绑定
将一个方法调用同一个方法主体连接到一起就称为“绑定”(Binding)。
解决的方法就是“后期绑定”,它意味着绑定在运行期间进行,以对象的类型为基础。后期绑定也叫作“动态绑定”或“运行期绑定”。
Java 中绑定的所有方法都采用后期绑定技术,除非一个方法已被声明成final。这意味着我们通常不必决定是否应进行后期绑定——它是自动发生的。
为什么要把一个方法声明成final 呢?正如final的使用中指出的那样,它能防止其他人覆盖那个方法。但也许更重要的一点是,它可有效地“关闭”动态绑定,或者告诉编译器不需要进行动态绑定。这样一来,编译器就可为final 方法调用生成效率更高的代码。
2.2产生正确的行为
在面向对象的程序设计中,有一个经典的“形状”例子。由于它很容易用可视化的形式表现出来,所以经常都用它说明问题。
形状例子有一个基础类,名为Shape;另外还有大量衍生类型:Circle(圆形),Square(方形),Triangle(三角形)等等。
上溯造型可用下面这个语句简单地表现出来:
Shape s = new Circle();
2.3扩展性
现在,让我们仍然返回乐器(Instrument)示例。由于存在多形性,所以可根据自己的需要向系统里加入任意多的新类型,同时毋需更改tune()方法。在一个设计良好的 OOP程序中,我们的大多数或者所有方法都会遵从tune()的模型,而且只与基础类接口通信。我们说这样的程序具有“扩展性”,因为可以从通用的基础类继承新的数据类型,从而新添一些功能。如果是为了适应新类的要求,那么对基础类接口进行操纵的方法根本不需要改变,
对于乐器例子,假设我们在基础类里加入更多的方法,以及一系列新类,下面是示意图:
所有这些新类都能与老类——tune()默契地工作,毋需对tune()作任何调整。即使 tune()位于一个独立的文件里,而将新方法添加到Instrument 的接口,tune()也能正确地工作,不需要重新编译。下面这个程序是对上述示意图的具体实现:
import java.util.*; class Instrument3 { public void play() { System.out.println("Instrument3.play()"); } public String what() { return "Instrument3"; } public void adjust() {} } class Wind3 extends Instrument3 { public void play() { System.out.println("Wind3.play()"); } public String what() { return "Wind3"; } public void adjust() {} } class Percussion3 extends Instrument3 { public void play() { System.out.println("Percussion3.play()"); } public String what() { return "Percussion3"; } public void adjust() {} } class Stringed3 extends Instrument3 { public void play() { System.out.println("Stringed3.play()"); } public String what() { return "Stringed3"; } public void adjust() {} } class Brass3 extends Wind3 { public void play() { System.out.println("Brass3.play()"); } public void adjust() { System.out.println("Brass3.adjust()"); } } class Woodwind3 extends Wind3 { public void play() { System.out.println("Woodwind3.play()"); } public String what() { return "Woodwind3"; } } public class Music3 { // Doesn‘t care about type, so new types // added to the system still work right: static void tune(Instrument3 i) { // ... i.play(); } static void tuneAll(Instrument3[] e) { for(int i = 0; i < e.length; i++) tune(e[i]); } public static void main(String[] args) { Instrument3[] orchestra = new Instrument3[5]; int i = 0; // Upcasting during addition to the array: orchestra[i++] = new Wind3(); orchestra[i++] = new Percussion3(); orchestra[i++] = new Stringed3(); orchestra[i++] = new Brass3(); orchestra[i++] = new Woodwind3(); tuneAll(orchestra); } }
新方法是what()和adjust()。前者返回一个 String句柄,同时返回对那个类的说明;后者使我们能对每种乐器进行调整。
在main()中,当我们将某样东西置入Instrument3数组时,就会自动上溯造型到 Instrument3。
可以看到,在围绕tune()方法的其他所有代码都发生变化的同时,tune()方法却丝毫不受它们的影响。
3.覆盖与过载
“过载”是指同一样东西在不同的地方具有多种含义;而“覆盖”是指它随时随地都
只有一种含义,只是原先的含义完全被后来的含义取代了。