1. 面向对象三大特征
1.1. 封装
封装是指把一个对象的状态信息(也就是属性)隐藏在对象内部,不允许外部对象直接访问对象的内部信息。但是可以提供一些可以被外界访问的方法来操作属性。就好像我们看不到挂在墙上的空调的内部的零件信息(也就是属性),但是可以通过遥控器(方法)来控制空调。
1.2. 继承
不同类型的对象,相互之间经常有一定数量的共同点。例如,小明同学、小红同学、小李同学,都共享学生的特性(班级、学号等)。同时,每一个对象还定义了额外的特性使得他们与众不同。例如小明的数学比较好,小红的性格惹人喜爱;小李的力气比较大。继承是使用已存在的类的定义作为基础建立新类的技术,新类的定义可以增加新的数据或新的功能,也可以用父类的功能,但不能选择性地继承父类。通过使用继承,可以快速地创建新的类,可以提高代码的重用,程序的可维护性,节省大量创建新类的时间 ,提高我们的开发效率。
- 子类拥有父类对象所有的属性和方法(包括私有属性和私有方法),但是父类中的私有属性和方法子类是无法访问,只是拥有。
- 子类可以拥有自己属性和方法,即子类可以对父类进行扩展。
- 子类可以用自己的方式实现父类的方法。
1.3. 多态
多态,顾名思义,表示一个对象具有多种的状态。具体表现为父类的引用指向子类的实例。
- 对象类型和引用类型之间具有继承(类)/实现(接口)的关系;
- 对象类型不可变,引用类型可变;
- 方法具有多态性,属性不具有多态性;
- 引用类型变量发出的方法调用的到底是哪个类中的方法,必须在程序运行期间才能确定;
- 多态不能调用“只在子类存在但在父类不存在”的方法;
- 如果子类重写了父类的方法,真正执行的是子类覆盖的方法,如果子类没有覆盖父类的方法,执行的是父类的方法。
2. 继承
2.1. 继承
关键字 extend
1 | class People{ |
- 子类可以覆盖父类的方法。
- 子类可以继承父类除private以为的所有的成员。
- 构造方法不能被继承。
单继承性:Java 允许一个类仅能继承一个其它类,即一个类只能有一个父类,这个限制被称做单继承性。后面将会学到接口(interface)的概念,接口允许多继承。
2.2. super 关键字
super 用来表示父类。super 可以用在子类中,通过点号(.)来获取父类的成员变量和方法。super 也可以用在子类的子类中,Java 能自动向上层类追溯。父类行为被调用,就好象该行为是本类的行为一样,而且调用行为不必发生在父类中,它能自动向上层类追溯。
super 关键字的功能:
- 调用父类中声明为 private 的变量。
- 点取已经覆盖了的方法。
- 作为方法名表示父类构造方法。
Java 具有追溯性,会一直向上找,直到找到该方法为止。通过 super 调用父类的private隐藏变量,必须要在父类中声明 getter 方法,因为声明为 private 的数据成员对子类是不可见的。
最后注意 super 与 this 的区别:super 不是一个对象的引用,不能将 super 赋值给另一个对象变量,它只是一个指示编译器调用父类方法的特殊关键字。
2.2.1. 调用父类方法
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- 在构造方法中调用另一个构造方法,调用动作必须置于最起始的位置。
- 不能在构造方法以外的任何方法内调用构造方法。
- 在一个构造方法内只能调用一个构造方法。
如果编写一个构造方法,既没有调用 super() 也没有调用 this(),编译器会自动插入一个调用到父类构造方法中,而且不带参数。
2.3. 重写和重载
2.3.1. 重写(Override)
在类继承中,子类可以修改从父类继承来的方法,也就是说子类能创建一个与父类方法有不同功能的方法,但具有相同的名称、返回值类型、参数列表。如果在新类中定义一个方法,其名称、返回值类型和参数列表正好与父类中的相同,那么,新方法被称做重写旧方法。参数列表又叫参数签名,包括参数的类型、参数的个数和参数的顺序,只要有一个不同就叫做参数列表不同。被覆盖的方法在子类中只能通过super调用。
注意:重写不会删除父类中的方法,而是对子类的实例隐藏,暂时不使用。
1 | class Animal{ |
原则:
- 覆盖方法的返回类型、方法名称、参数列表必须与原方法的相同。
- 覆盖方法不能比原方法访问性差(即访问权限不允许缩小)。
- 覆盖方法不能比原方法抛出更多的异常。
- 被覆盖的方法不能是final类型,因为final修饰的方法是无法覆盖的。
- 被覆盖的方法不能为private,否则在其子类中只是新定义了一个方法,并没有对其进行覆盖。
- 被覆盖的方法不能为static。如果父类中的方法为静态的,而子类中的方法不是静态的,但是两个方法除了这一点外其他都满足覆盖条件,那么会发生编译错误;反之亦然。即使父类和子类中的方法都是静态的,并且满足覆盖条件,但是仍然不会发生覆盖,因为静态方法是在编译的时候把静态方法和类的引用类型进行匹配。
2.3.2. 重载Overload
前面已经对Java方法重载进行了说明,这里再强调一下,Java父类和子类中的方法都会参与重载,例如,父类中有一个方法是 func(){ … },子类中有一个方法是 func(int i){ … },就构成了方法的重载。
覆盖和重载的不同:
方法覆盖要求参数列表必须一致,而方法重载要求参数列表必须不一致。
方法覆盖要求返回类型必须一致,方法重载对此没有要求。
方法覆盖只能用于子类覆盖父类的方法,方法重载用于同一个类中的所有方法(包括从父类中继承而来的方法)。
方法覆盖对方法的访问权限和抛出的异常有特殊的要求,而方法重载在这方面没有任何限制。
父类的一个方法只能被子类覆盖一次,而一个方法可以在所有的类中可以被重载多次
2.4. 重写与重载之间的区别
区别点 | 重载方法 | 重写方法 |
---|---|---|
参数列表 | 必须修改 | 一定不能修改 |
返回类型 | 可以修改 | 一定不能修改 |
异常 | 可以修改 | 可以减少或删除,一定不能抛出新的或者更广的异常 |
访问 | 可以修改 | 一定不能做更严格的限制(可以降低限制) |
3. 多态
必要条件
- 继承
- 重写
- 父类引用指向子类对象
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29public class Demo {
public static void main(String[] args){
Animal obj = new Animal();
obj.cry();
obj = new Cat();
obj.cry();
obj = new Dog();
obj.cry();
}
}
class Animal{
// 动物的叫声
public void cry(){
System.out.println("不叫");
}
}
class Cat extends Animal{
// 猫的叫声
public void cry(){
System.out.println("喵");
}
}
class Dog extends Animal{
// 狗的叫声
public void cry(){
System.out.println("汪");
}
}
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
3.1. 动态绑定
Java调用方法详细流程
- 编译器查看对象声明类型和方法名。一一列举所有类中名为func的方法和其父类中访问属性为 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。
- 检查调用方法时提供的参数签名。重载解析(overloading resolution)。编译器自动选举对应参数签名的函数。如果没有匹配,则编译错误
- 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)。
- 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。
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。
3.2. instanceof 运算符
多态性带来了一个问题,就是如何判断一个变量所实际引用的对象的类型 。 C++使用runtime-type information(RTTI),Java 使用 instanceof 操作符。instanceof 运算符用来判断一个变量所引用的对象的实际类型,注意是它引用的对象的类型,不是变量的类型。
1 | variable instanceof classname |
如果变量引用的是当前类或它的子类的实例,instanceof 返回 true,否则返回 false。
3.3. 多态对象的类型转换
我们将子类向父类转换称为“向上转型”,将父类向子类转换称为“向下转型”。很多时候,我们会将变量定义为父类的类型,却引用子类的对象,这个过程就是向上转型。程序运行时通过动态绑定来实现对子类方法的调用,也就是多态性。然而有些时候为了完成某些父类没有的功能,我们需要将向上转型后的子类对象再转成子类,调用子类的方法,这就是向下转型。
注意:不能直接将父类的对象强制转换为子类类型,只能将向上转型后的子类对象再次转换为子类类型。也就是说,子类对象必须向上转型后,才能再向下转型。
1 | class Demo { |
因为向下转型存在风险,所以在接收到父类的一个引用时,请务必使用 instanceof 运算符来判断该对象是否是你所要的子类。
4. 内部类
在 Java 中,允许在一个类(或方法、语句块)的内部定义另一个类,称为内部类(Inner Class),有时也称为嵌套类(Nested Class)。
内部类和外层封装它的类之间存在逻辑上的所属关系,一般只用在定义它的类或语句块之内,实现一些没有通用意义的功能逻辑,在外部引用它时必须给出完整的名称。
使用内部类的主要原因有:
- 内部类可以访问外部类中的数据,包括私有的数据。
- 内部类可以对同一个包中的其他类隐藏起来。
- 当想要定义一个回调函数且不想编写大量代码时,使用匿名(anonymous)内部类比较便捷。
- 减少类的命名冲突。
1 | public class Demo { |
编译,会生成两个 .class
文件:Outer.class
和 Outer$Inner.class
。也就是说,内部类会被编译成独立的字节码文件。内部类是一种编译器现象,与虚拟机无关。编译器将会把内部类翻译成用$
符号分隔外部类名与内部类名的常规类文件,而虚拟机则对此一无所知。
注意:必须先有外部类的对象才能生成内部类的对象,因为内部类有时需要访问外部类中的成员变量,成员变量必须实例化才有意义。
内部类是 Java 1.1 的新增特性,有些程序员认为这是一个值得称赞的进步,但是内部类的语法很复杂,严重破坏了良好的代码结构, 违背了Java要比C++更加简单的设计理念。
4.1. 内部类的分类
内部类可以是静态(static)的,可以使用 public、protected 和 private 访问控制符,而外部类只能使用 public,或者默认。
在外部类内部直接定义(不在方法内部或代码块内部)的类就是成员式内部类,它可以直接使用外部类的所有变量和方法,即使是 private 的。外部类要想访问内部类的成员变量和方法,则需要通过内部类的对象来获取。
5. 抽象类
在自上而下的继承层次结构中,位于上层的类更具有通用性,甚至可能更加抽象。从某种角度看,祖先类更加通用,它只包含一些最基本的成员,人们只将它作为派生其他类的基类,而不会用来创建对象。甚至,你可以只给出方法的定义而不实现,由子类根据具体需求来具体实现。这种只给出方法定义而不具体实现的方法被称为抽象方法,抽象方法是没有方法体的,在代码的表达上就是没有“{}”。包含一个或多个抽象方法的类也必须被声明为抽象类。
抽象类除了包含抽象方法外,还可以包含具体的变量和具体的方法。类即使不包含抽象方法,也可以被声明为抽象类,防止被实例化。抽象类不能被实例化,抽象方法必须在子类中被实现。
1 | import static java.lang.System.*; |
关于抽象类的几点说明:
- 抽象类不能直接使用,必须用子类去实现抽象类,然后使用其子类的实例。然而可以创建一个变量,其类型是一个抽象类,并让它指向具体子类的一个实例,也就是可以使用抽象类来充当形参,实际实现类作为实参,这是多态的应用。
- 不能有抽象构造方法或抽象静态方法。
在下列情况下,一个类将成为抽象类:
- 当一个类的一个或多个方法是抽象方法时;
- 当类是一个抽象类的子类,并且不能为任何抽象方法提供任何实现细节或方法主体时;
- 当一个类实现一个接口,并且不能为任何抽象方法提供实现细节或方法主体时;
注意:这里说的是这些情况下一个类将成为抽象类,没有说抽象类一定会有这些情况。一个典型的错误:抽象类一定包含抽象方法。 但是反过来说“包含抽象方法的类一定是抽象类”就是正确的。事实上,抽象类可以是一个完全正常实现的类
6. 接口
6.1. 接口的概念
在抽象类中,可以包含一个或多个抽象方法;但在接口(interface)中,所有的方法必须都是抽象的,不能有方法体,它比抽象类更加“抽象”。
接口使用 interface 关键字来声明,可以看做是一种特殊的抽象类,可以指定一个类必须做什么,而不是规定它如何去做。
现实中也有很多接口的实例,比如说串口电脑硬盘,Serial ATA委员会指定了Serial ATA 2.0规范,这种规范就是接口。Serial ATA委员会不负责生产硬盘,只是指定通用的规范。
希捷、日立、三星等生产厂家会按照规范生产符合接口的硬盘,这些硬盘就可以实现通用化,如果正在用一块160G日立的串口硬盘,现在要升级了,可以购买一块320G的希捷串口硬盘,安装上去就可以继续使用了。
下面的代码可以模拟Serial ATA委员会定义以下串口硬盘接口:
1 | public interface Demo{ |
注意:接口中声明的成员变量默认都是 public static final 的,必须显式地初始化。因而在常量声明时可以省略这些修饰符。
接口是若干常量和抽象方法的集合,目前看来和抽象类差不多。确实如此,接口本就是从抽象类中演化而来的,因而除特别规定,接口享有和类同样的“待遇”。比如,源程序中可以定义多个类或接口,但最多只能有一个public 的类或接口,如果有则源文件必须取和public的类和接口相同的名字。和类的继承格式一样,接口之间也可以继承,子接口可以继承父接口中的常量和抽象方法并添加新的抽象方法等。
接口特性:
- 接口中只能定义抽象方法,这些方法默认为 public abstract 的,因而在声明方法时可以省略这些修饰符。试图在接口中定义实例变量、非抽象的实例方法及静态方法,都是非法的。例如:
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10public interface SataHdd{
//连接线的数量
public int connectLine; //编译出错,connectLine被看做静态常量,必须显式初始化
//写数据
protected void writeData(String data); //编译出错,必须是public类型
//读数据
public static String readData(){ //编译出错,接口中不能包含静态方法
return "数据"; //编译出错,接口中只能包含抽象方法,
}
} - 接口没有构造方法,不能初始化
- 一个接口不实现另一个接口,但可以继承多个其他接口。接口的多继承特点弥补了类的单继承。例如:
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15//串行硬盘接口
public interface SataHdd extends A,B{
// 连接线的数量
public static final int CONNECT_LINE = 4;
// 写数据
public void writeData(String data);
// 读数据
public String readData();
}
interface A{
public void a();
}
interface B{
public void b();
}
6.2. why 接口
大型项目开发中,可能需要从继承链的中间插入一个类,让它的子类具备某些功能而不影响它们的父类。例如 A -> B -> C -> D -> E,A 是祖先类,如果需要为C、D、E类添加某些通用的功能,最简单的方法是让C类再继承另外一个类。但是问题来了,Java 是一种单继承的语言,不能再让C继承另外一个父类了,只到移动到继承链的最顶端,让A再继承一个父类。这样一来,对C、D、E类的修改,影响到了整个继承链,不具备可插入性的设计。
接口是可插入性的保证。在一个继承链中的任何一个类都可以实现一个接口,这个接口会影响到此类的所有子类,但不会影响到此类的任何父类。此类将不得不实现这个接口所规定的方法,而子类可以从此类自动继承这些方法,这时候,这些子类具有了可插入性。
我们关心的不是哪一个具体的类,而是这个类是否实现了我们需要的接口。
接口提供了关联以及方法调用上的可插入性,软件系统的规模越大,生命周期越长,接口使得软件系统的灵活性和可扩展性,可插入性方面得到保证。
接口在面向对象的 Java 程序设计中占有举足轻重的地位。事实上在设计阶段最重要的任务之一就是设计出各部分的接口,然后通过接口的组合,形成程序的基本框架结构。
6.3. 接口的使用
接口的使用与类的使用有些不同。在需要使用类的地方,会直接使用new关键字来构建一个类的实例,但接口不可以这样使用,因为接口不能直接使用 new 关键字来构建实例。
接口必须通过类来实现(implements)它的抽象方法,然后再实例化类。类实现接口的关键字为implements。
如果一个类不能实现该接口的所有抽象方法,那么这个类必须被定义为抽象方法。
不允许创建接口的实例,但允许定义接口类型的引用变量,该变量指向了实现接口的类的实例。
一个类只能继承一个父类,但却可以实现多个接口。
实现接口的格式如下:
1 | 修饰符 class 类名 extends 父类 implements 多个接口(逗号分隔) { |
1 | import static java.lang.System.*; |
6.4. 接口作为类使用
接口作为引用类型来使用,任何实现该接口的类的实例都可以存储在该接口类型的变量中,通过这些变量可以访问类中所实现的接口中的方法,Java 运行时系统会动态地确定应该使用哪个类中的方法,实际上是调用相应的实现类的方法。下面例子中可以看到接口可以作为一个类型来使用,把接口作为方法的参数和返回类型。
1 | public class Demo{ |
7. 接口与抽象类
类是对象的模板,抽象类和接口可以看做是具体的类的模板。
由于从某种角度讲,接口是一种特殊的抽象类,它们的渊源颇深,有很大的相似之处,所以在选择使用谁的问题上很容易迷糊。
相同点:
- 都代表类树形结构的抽象层。在使用引用变量时,尽量使用类结构的抽象层,使方法的定义和实现分离,这样做对于代码有松散耦合的好处。
- 都不能被实例化。
- 都能包含抽象方法。抽象方法用来描述系统提供哪些功能,而不必关心具体的实现。
区别
- 抽象类可以为部分方法提供实现,避免了在子类中重复实现这些方法,提高了代码的可重用性,这是抽象类的优势;而接口中只能包含抽象方法,不能包含任何实现。
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16public abstract class A{
public abstract void method1();
public void method2(){
//A method2
}
}
public class B extends A{
public void method1(){
//B method1
}
}
public class C extends A{
public void method1(){
//C method1
}
}
抽象类A有两个子类B、C,由于A中有方法method2的实现,子类B、C中不需要重写method2方法,我们就说A为子类提供了公共的功能,或A约束了子类的行为。method2就是代码可重用的例子。A 并没有定义 method1的实现,也就是说B、C 可以根据自己的特点实现method1方法,这又体现了松散耦合的特性。
1 | public interface A{ |
接口A无法为实现类B、C提供公共的功能,也就是说A无法约束B、C的行为。B、C可以自由地发挥自己的特点现实 method1和 method2方法,接口A毫无掌控能力。
- 一个类只能继承一个直接的父类(可能是抽象类),但一个类可以实现多个接口,这个就是接口的优势。
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31interface A{
public void method2();
}
interface B{
public void method1();
}
class C implements A,B{
public void method1(){
//C method1
}
public void method2(){
//C method2
}
}
//可以如此灵活的使用C,并且C还有机会进行扩展,实现其他接口
A a=new C();
B b=new C();
abstract class A{
public abstract void method1();
}
abstract class B extends A{
public abstract void method2();
}
class C extends B{
public void method1(){
//C method1
}
public void method2() {
//C method2
}
}
综上所述,接口和抽象类各有优缺点,在接口和抽象类的选择上,必须遵守这样一个原则:
- 行为模型应该总是通过接口而不是抽象类定义,所以通常是优先选用接口,尽量少用抽象类。
- 选择抽象类的时候通常是如下情况:需要定义子类的行为,又要为子类提供通用的功能。
接口和抽象类的区别是什么?
- 接口的方法默认是 public,所有方法在接口中不能有实现(Java 8 开始接口方法可以有默认实现),而抽象类可以有非抽象的方法。
- 接口中除了 static、final 变量,不能有其他变量,而抽象类中则不一定。
- 一个类可以实现多个接口,但只能实现一个抽象类。接口自己本身可以通过 extends 关键字扩展多个接口。
- 接口方法默认修饰符是 public,抽象方法可以有 public、protected 和 default 这些修饰符(抽象方法就是为了被重写所以不能使用 private 关键字修饰!)。
- 从设计层面来说,抽象是对类的抽象,是一种模板设计,而接口是对行为的抽象,是一种行为的规范。
总结一下 jdk7~jdk9 Java 中接口概念的变化:
- 在 jdk 7 或更早版本中,接口里面只能有常量变量和抽象方法。这些接口方法必须由选择实现接口的类实现。
- jdk8 的时候接口可以有默认方法和静态方法功能。
- Jdk 9 在接口中引入了私有方法和私有静态方法。