Java基础08 继承

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2023-12-01

继承(inheritance)是面向对象的重要概念。继承是除组合(composition)之外，提高代码重复可用性(reusibility)的另一种重要方式。我们在组合(composition)中看到，组合是重复调用对象的功能接口。我们将看到，继承可以重复利用已有的类的定义。

类的继承

我们之前定义类的时候，都是从头开始，详细的定义该类的每一个成员。比如下面的Human类:

class Human
{   
   /**
     * accessor
     */
    public int getHeight()
    {
       return this.height;
    }

    /**
     * mutator
     */
    public void growHeight(int h)
    {
        this.height = this.height + h;
    }

    /**
     * breath
     */
    public void breath()
    {
        System.out.println("hu...hu...");
    }

    private int height; 
}

从上面的类定义，我们可以了解该类的所有细节: 该类的数据成员，该类的方法，该类的接口。

现在要定义一个新的类，比如Woman类，并假设Woman与Human类相当类似：

Human & Woman

我们可以像以前一样，从头开始，完整的定义Woman类:

class Woman
{
    /**
     * accessor
     */
    public int getHeight()
    {
       return this.height;
    }

    /**
     * mutator
     */
    public void growHeight(int h)
    {
        this.height = this.height + h;
    }

    /**
     * breath
     */
    public void breath()
    {
        System.out.println("hu...hu...");
    }

    /**
     * new method
     */
    public Human giveBirth()
    {
        System.out.println("Give birth");
        return (new Human(20));
    }

    private int height; 
}

一个程序员在写上面程序的时候，会有很大的烦恼。许多定义都曾在Human类中写过，但我们还要重新敲一遍。Woman类只新增了一个giveBirth()方法 (该方法创建并返回一个新的Human对象)。

利用继承，我们可以避免上面的重复。让Woman类继承自Human类，Woman类就自动拥有了Human类中所有public成员的功能。

我们用extends关键字表示继承:

class Woman extends Human
{
    /**
     * new method
     */
    public Human giveBirth()
    {
        System.out.println("Give birth");
        return (new Human(20));
    }
}

这样，我们就省去了大量的输入。通过继承，我们创建了一个新类，叫做衍生类(derived class)。被继承的类(Human)称为基类(base class)。衍生类以基类作为自己定义的基础，并补充基类中没有定义的giveBirth()方法。继承关系可以表示为:

继承: 箭头指向基类

可以用以下Test类测试:

public class Test
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Woman aWoman = new Woman();
        aWoman.growHeight(120);
        System.out.println(aWoman.getHeight());                                             
    }
}

衍生层

通过继承，我们创建了Woman类。整个过程可以分为三个层次: 基类定义，衍生类定义，外部使用。

基类定义的层次就是正常的定义一个类，比如上面的Human类定义。

在外部使用者看来(比如Test类中创建Woman类对象)，衍生类有一个统一的外部接口:

对于外部使用者来说，上述接口就已经足够了。仅从接口看，衍生类也没有什么特别之处。

然而，当程序员在衍生类定义的层次时，就必须要小心:

首先，接口是混合的: getHeight()方法和growHeight()方法来自基类，giveBirth()方法则是在衍生类内部定义的。

还有更加复杂的地方。我们之前在类的内部可以自由访问类的成员(利用this指代对象)。然而，当我们在Woman类的定义范围内，我们无法访问基类Human的private成员。我们记得private的含义: private的成员仅供该类内部使用。Woman类是一个不同于Human类的新类，所以位于Human类的外部。在衍生类中，不能访问基类的private成员。

但有趣的是，我们的growHeight()和getHeight()方法依然可以运行。这说明基类的private成员存在，我们只是不能直接访问。

为了清晰概念，我们需要了解衍生类对象的生成机制。当我们创建一个衍生类的对象时，Java实际上先创建了一个基类对象(subobject)，并在基类对象的外部(注意，这里是基类对象的外部，衍生类对象的内部)，增加衍生类定义的其他成员，构成一个衍生类对象。外部使用者能看到的，就是基类和衍生类的public成员。如下图:

基类对象与衍生类对象

图中黄色为基类对象。基层的成员之间可以互相访问 (利用Human类定义中的this指代基类对象)。

蓝色部分为衍生对象新增的内容，我将这部分称为衍生层。蓝色和黄色部分共同构成衍生对象。衍生层的成员可以相互访问(Woman定义中的this)。更进一步，我们还可以访问基层中public的成员。为此，我们用super关键字来指代基类对象，使用super.member的方式来表示基层的(public)成员。

当我们位于衍生层时(也就是在定义Woman类时)，不能访问红色的基层private成员。当我们位于外部时，既不能访问紫色的衍生层private成员，也不能访问红色的基层private成员。

(衍生层的private成员有访问禁忌，所以标为斜线。基层的private成员访问禁忌最多，所以标为交叉斜线)

super和this类似，也是隐式参数。我们在类定义的不同层次时，this会有不同的含义。要小心的使用this和super关键字。

(Java并不强制使用this和super。Java在许多情况下可以自动识别成员的归属。但我觉得这是个好习惯。)

protected

我们之前介绍了两个访问权限相关的关键字，private和public，它们控制了成员的外部可见性。现在，我们介绍一个新的访问权限关键字: protected。

标为protected的成员在该类及其衍生类中可见。这个概念很容易理解，就是说，基类的protected成员可以被衍生层访问，但不能被外部访问，如下图:

方法覆盖

衍生类对象的外部接口最终由基类对象的public成员和衍生层的public成员共同构成。如果基类public成员和衍生层的public成员同名，Java接口中呈现的究竟是哪一个呢?

我们在构造方法与方法重载中已经提到，Java是同时通过方法名和参数列表来判断所要调用的方法的。方法是由方法名和参数列表共同决定的。上述问题中，如果只是方法名相同，而参数列表不同，那么两个方法会同时呈现到接口，不会给我们造成困扰。外部调用时，Java会根据提供的参数，来决定使用哪个方法 (方法重载)。

如果方法名和参数列表都相同呢？在衍生层时，我们还可以通过super和this来确定是哪一个方法。而在外部时，我们呈现的只是统一接口，所以无法同时提供两个方法。这种情况下，Java会呈现衍生层的方法，而不是基层的方法。

这种机制叫做方法覆盖(method overriding)。方法覆盖可以被很好的利用，用于修改基类成员的方法。比如，在衍生层，也就是定义Woman时，可以修改基类提供的breath()方法:

class Woman extends Human
{/**
     * new method
     */
    public Human giveBirth()
    {
        System.out.println("Give birth");
        return (new Human(20));
    }

    /**
     * override Human.breath()
     */
    public void breath()
    {
        super.breath();
        System.out.println("su...");
    }
}

注意，此时我们位于衍生层，依然可以通过super来调用基类对象的breath()方法。当我们外部调用Woman类时，由于方法覆盖，就无法再调用基类对象的该方法了。

方法覆盖保持了基类对象的接口，而采用了衍生层的实现。

构造方法

在了解了基类对象和衍生层的概念之后，衍生类的构造方法也比较容易理解。

我们要在衍生类的定义中定义与类同名的构造方法。在该构造方法中:

由于在创建衍生对象的时候，基类对象先被创建和初始化，所以，基类的构造方法应该先被调用。我们可以使用super(argument list)的语句，来调用基类的构造方法。
基类对象创建之后，开始构建衍生层 (初始化衍生层成员)。这和一般的构建方法相同，参考构造方法与方法重载

比如下面的程序中，Human类有一个构造方法:

class Human
{

    /**
     * constructor
     */
    public Human(int h)
    {
        this.height = h;
    }

    /**
     * accessor
     */
    public int getHeight()
    {
       return this.height;
    }

    /**
     * mutator
     */
    public void growHeight(int h)
    {
        this.height = this.height + h;
    }

    /**
     * breath
     */
    public void breath()
    {
        System.out.println("hu...hu...");
    }

    private int height; 
}

衍生类Woman类的定义及其构造方法:

class Woman extends Human
{
    /**
     * constructor
     */
    public Woman(int h)
    {
        super(h); // base class constructor
        System.out.println("Hello, Pandora!");
    }

    /**
     * new method
     */
    public Human giveBirth()
    {
        System.out.println("Give birth");
        return (new Human(20));
    }

    /**
     * override Human.breath()
     */
    public void breath()
    {
        super.breath();
        System.out.println("su...");
    }
}

总结

extends

method overriding

protected

super.member, super()