详解Java多态对象的类型转换与动态绑定

Java多态对象的类型转换
这里所说的对象类型转换,是指存在继承关系的对象,不是任意类型的对象。当对不存在继承关系的对象进行强制类型转换时,java 运行时将抛出 java.lang.ClassCastException 异常。

在继承链中,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。请看下面的代码:

public class Demo {
  public static void main(String args[]) {
    SuperClass superObj = new SuperClass();
    SonClass sonObj = new SonClass();
    // 下面的代码运行时会抛出异常,不能将父类对象直接转换为子类类型
    // SonClass sonObj2 = (SonClass)superObj;
    // 先向上转型,再向下转型
    superObj = sonObj;
    SonClass sonObj1 = (SonClass)superObj;
  }
}
class SuperClass{ }
class SonClass extends SuperClass{ }

将第7行的注释去掉,运行时会抛出异常,但是编译可以通过。

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,请看下面的代码:

public class Demo {
  public static void main(String args[]) {
    SuperClass superObj = new SuperClass();
    SonClass sonObj = new SonClass();
    // superObj 不是 SonClass 类的实例
    if(superObj instanceof SonClass){
      SonClass sonObj1 = (SonClass)superObj;
    }else{
      System.out.println("①不能转换");
    }
    superObj = sonObj;
    // superObj 是 SonClass 类的实例
    if(superObj instanceof SonClass){
      SonClass sonObj2 = (SonClass)superObj;
    }else{
      System.out.println("②不能转换");
    }
  }
}
class SuperClass{ }
class SonClass extends SuperClass{ }

运行结果:

①不能转换

总结:对象的类型转换在程序运行时检查,向上转型会自动进行,向下转型的对象必须是当前引用类型的子类。

Java多态和动态绑定
在Java中,父类的变量可以引用父类的实例,也可以引用子类的实例。

请读者先看一段代码:

public 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("不知道怎么叫");
  }

}
class Cat extends Animal{
  // 猫的叫声
  public void cry(){
    System.out.println("喵喵~");
  }
}
class Dog extends Animal{
  // 狗的叫声
  public void cry(){
    System.out.println("汪汪~");
  }
}

运行结果:

不知道怎么叫
喵喵~
汪汪~

上面的代码,定义了三个类,分别是 Animal、Cat 和 Dog,Cat 和 Dog 类都继承自 Animal 类。obj 变量的类型为 Animal,它既可以指向 Animal 类的实例,也可以指向 Cat 和 Dog 类的实例,这是正确的。也就是说,父类的变量可以引用父类的实例,也可以引用子类的实例。注意反过来是错误的,因为所有的猫都是动物,但不是所有的动物都是猫。

可以看出,obj 既可以是人类,也可以是猫、狗,它有不同的表现形式,这就被称为多态。多态是指一个事物有不同的表现形式或形态。

再比如“人类”,也有很多不同的表达或实现,TA 可以是司机、教师、医生等,你憎恨自己的时候会说“下辈子重新做人”,那么你下辈子成为司机、教师、医生都可以,我们就说“人类”具备了多态性。

多态存在的三个必要条件:要有继承、要有重写、父类变量引用子类对象。

当使用多态方式调用方法时:
首先检查父类中是否有该方法,如果没有,则编译错误;如果有,则检查子类是否覆盖了该方法。
如果子类覆盖了该方法,就调用子类的方法,否则调用父类方法。

从上面的例子可以看出,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。请再看下面的一个例子:

public class Demo {
  public static void main(String[] args){
    // 借助多态,主人可以给很多动物喂食
    Master ma = new Master();
    ma.feed(new Animal(), new Food());
    ma.feed(new Cat(), new Fish());
    ma.feed(new Dog(), new Bone());
  }
}
// Animal类及其子类
class Animal{
  public void eat(Food f){
    System.out.println("我是一个小动物,正在吃" + f.getFood());
  }
}
class Cat extends Animal{
  public void eat(Food f){
    System.out.println("我是一只小猫咪,正在吃" + f.getFood());
  }
}
class Dog extends Animal{
  public void eat(Food f){
    System.out.println("我是一只狗狗,正在吃" + f.getFood());
  }
}
// Food及其子类
class Food{
  public String getFood(){
    return "事物";
  }
}
class Fish extends Food{
  public String getFood(){
    return "鱼";
  }
}
class Bone extends Food{
  public String getFood(){
    return "骨头";
  }
}
// Master类
class Master{
  public void feed(Animal an, Food f){
    an.eat(f);
  }
}

运行结果:

我是一个小动物,正在吃事物
我是一只小猫咪,正在吃鱼
我是一只狗狗,正在吃骨头

Master 类的 feed 方法有两个参数,分别是 Animal 类型和 Food 类型,因为是父类,所以可以将子类的实例传递给它,这样 Master 类就不需要多个方法来给不同的动物喂食。
动态绑定

为了理解多态的本质,下面讲一下Java调用方法的详细流程。

1) 编译器查看对象的声明类型和方法名。

假设调用 obj.func(param),obj 为 Cat 类的对象。需要注意的是,有可能存在多个名字为func但参数签名不一样的方法。例如,可能存在方法 func(int) 和 func(String)。编译器将会一一列举所有 Cat 类中名为func的方法和其父类 Animal 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。

2) 接下来,编泽器将检查调用方法时提供的参数签名。

如果在所有名为func的方法中存在一个与提供的参数签名完全匹配的方法,那么就选择这个方法。这个过程被称为重载解析(overloading resolution)。例如,如果调用 func("hello"),编译器会选择 func(String),而不是 func(int)。由于自动类型转换的存在,例如 int 可以转换为 double,如果没有找到与调用方法参数签名相同的方法,就进行类型转换后再继续查找,如果最终没有匹配的类型或者有多个方法与之匹配,那么编译错误。

这样,编译器就获得了需要调用的方法名字和参数签名。

3) 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)。

与此对应的是,调用的方法依赖于对象的实际类型, 并在运行时实现动态绑。例如调用 func("hello"),编泽器将采用动态绑定的方式生成一条调用 func(String) 的指令。

4)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。我们已经假设 obj 的实际类型是 Cat,它是 Animal 的子类,如果 Cat 中定义了 func(String),就调用它,否则将在 Animal 类及其父类中寻找。

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。在上面的例子中,JVM 搜索 Cat 类的方法表,以便寻找与调用 func("hello") 相匹配的方法。这个方法既有可能是 Cat.func(String),也有可能是 Animal.func(String)。注意,如果调用super.func("hello"),编译器将对父类的方法表迸行搜索。

假设 Animal 类包含cry()、getName()、getAge() 三个方法,那么它的方法表如下:
cry() -> Animal.cry()
getName() -> Animal.getName()
getAge() -> Animal.getAge()

实际上,Animal 也有默认的父类 Object(后续会讲解),会继承 Object 的方法,所以上面列举的方法并不完整。

假设 Cat 类覆盖了 Animal 类中的 cry() 方法,并且新增了一个方法 climbTree(),那么它的参数列表为:
cry() -> Cat.cry()
getName() -> Animal.getName()
getAge() -> Animal.getAge()
climbTree() -> Cat.climbTree()

在运行的时候,调用 obj.cry() 方法的过程如下:
JVM 首先访问 obj 的实际类型的方法表,可能是 Animal 类的方法表,也可能是 Cat 类及其子类的方法表。
JVM 在方法表中搜索与 cry() 匹配的方法,找到后,就知道它属于哪个类了。
JVM 调用该方法。

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