Java 多态

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2023-12-01

本小节我们来学习面向对象的最后一大特征 —— 多态。多态是面向对象最重要的特性。我们将介绍多态的概念和特点，并带领大家实现一个多态的案例，你将了解到多态的实现条件、什么是向上转型以及什么是向下转型，并学会使用 instanceof 运算符来检查对象引用是否是类型的实例。

1. 概念和特点

多态顾名思义就是多种形态，是指对象能够有多种形态。在面向对象中最常用的多态性发生在当父类引用指向子类对象时。在面向对象编程中，所谓多态意指相同的消息给予不同的对象会引发不同的动作。换句话说：多态意味着允许不同类的对象对同一消息做出不同的响应。

例如，火车类和飞机类都继承自交通工具类，这些类下都有各自的 run() 方法，交通工具的 run() 方法输出交通工具可以运输，而火车的 run() 方法输出火车会跑，飞机的 run() 方法则输出飞机会飞，火车和飞机都继承父类的 run() 方法，但是对于不同的对象，拥有不同的操作。

任何可以通过多个 IS-A 测试的 Java 对象都被视为多态的。在 Java 中，所有 Java 对象都是多态的，因为任何对象都能够通过 IS-A 测试以获取其自身类型和 Object 类。

2. 实现多态

2.1 实现条件

在 Java 中实现多态有 3 个必要条件：

满足继承关系
要有重写
父类引用指向子类对象

2.1 实例

例如，有三个类 Pet、Dog、Cat：
父类 Pet：

class Pet {
  	// 定义方法 eat
  	public void eat() {
      	System.out.println("宠物吃东西");
    }
}

子类 Dog 继承 Pet

class Dog extends Pet { // 继承父类
  	// 重写父类方法 eat
  	public void eat() {
      	System.out.println("狗狗吃狗粮");
    }
}
子类Cat继承Pet
class Cat extends Pet { // 继承父类
  	// 重写父类方法 eat
   	public void eat() {
      	System.out.println("猫猫吃猫粮");
    }
}

在代码中，我们看到 Dog 和 Cat 类继承自 Pet 类，并且都重写了其 eat 方法。

现在已经满足了实现多态的前两个条件，那么如何让父类引用指向子类对象呢？我们在 main 方法中编写代码：

public void main(String[] args) {
  	// 分别实例化三个对象，并且保持其类型为父类Pet
  	Pet pet = new Pet();
  	Pet dog = new Dog();
  	Pet cat = new Cat();
  	// 调用对象下方法
  	pet.eat();
  	dog.eat();
  	cat.eat();
}

运行结果：

宠物吃东西
狗狗吃狗粮
猫猫吃猫粮

在代码中，Pet dog = new Dog();、Pet cat = new Cat(); 这两个语句，把 Dog 和 Cat 对象转换为 Pet 对象，这种把一个子类对象转型为父类对象的做法称为向上转型。父类引用指向了子类的实例。也就实现了多态。

2.3 向上转型

向上转型又称为自动转型、隐式转型。向上转型就是父类引用指向子类实例，也就是子类的对象可以赋值给父类对象。例如：

Pet dog = new Dog();

这个是因为 Dog 类继承自 Pet 类，它拥有父类 Pet 的全部功能，所以如果 Pet 类型的变量指向了其子类 Dog 的实例，是不会出现问题的。

向上转型实际上是把一个子类型安全地变成了更加抽象的父类型，由于所有类的根类都是 Object，我们也把子类类型转换为 Object 类型：

Cat cat = new Cat();
Object o = cat;

2.4 向下转型

向上转型是父类引用指向子类实例，那么如何让子类引用指向父类实例呢？使用向下转型就可以实现。向下转型也被称为强制类型转换。例如：

// 为Cat类增加run方法
class Cat extends Pet { // 继承父类
  	// 重写父类方法 eat
   	public void eat() {
      	System.out.println("猫猫吃猫粮");
    }
  	
  	public void run() {
      	System.ot.println("猫猫跑步");
    }
  
  	public static void main(String[] args) {    	
      	// 实例化子类
      	Pet cat = new Cat();
      	// 强制类型转换，只有转换为Cat对象后，才能调用其下面的run方法
      	Cat catObj = (Cat)cat;
      	cat.run();
    }
}

运行结果：

猫猫跑步

我们为 Cat 类新增了一个 run 方法，此时我们无法通过 Pet 类型的 cat 实例调用到其下面特有的 run 方法，需要向下转型，通过 (Cat)cat 将 Pet 类型的对象强制转换为 Cat 类型，这个时候就可以调用 run 方法了。

使用向下转型的时候，要注意：不能将父类对象转换为子类类型，也不能将兄弟类对象相互转换。以下两种都是错误的做法：

// 实例化父类
Pet pet = new Pet();
// 将父类转换为子类
Cat cat = (Cat) pet;

// 实例化Dog类
Dog dog = new Dog();
// 兄弟类转换
Cat catObj = (Cat) dog;

不能将父类转换为子类，因为子类功能比父类多，多的功能无法凭空变出来。兄弟类之间不能转换，这就更容易理解了，兄弟类之间同样功能不尽相同，不同的功能也无法凭空变出来。

3. instanceof 运算符

instanceof 运算符用来检查对象引用是否是类型的实例，或者这个类型的子类，并返回布尔值。如果是返回 true，如果不是返回 false。通常可以在运行时使用 instanceof 运算符指出某个对象是否满足一个特定类型的实例特征。其使用语法为：

<对象引用> instanceof 特定类型

例如，在向下转型之前，可以使用 instanceof 运算符判断，这样可以提高向下转型的安全性：

Pet pet = new Cat();
if (pet instanceof Cat) {
		// 将父类转换为子类
		Cat cat = (Cat) pet;
}

4. 小结

通过本小节的学习，我们知道了多态意味着一个对象有着多重特征，可以在特定的情况下，表现出不同状态，从而对应着不同的属性和方法。实现多态有 3 个必要条件，分别是要有继承、要有重写以及父类引用指向子类对象，通过向上转型可以使父类引用指向子类实例；通过向下转型可以使子类引用指向父类实例，使用 instanceof 运算符可以用来检查对象引用是否是类型的实例。