JAVA SE(9)——多态

1.多态的概念&作用

多态(Polymorphism)是面向对象编程的三大基本特性之一（封装和继承已经讲过了），它允许不同类的对象对同一消息做出不同的响应。具体来说，多态允许基类/父类的引用指向派生类/子类的对象（向上转型），并通过该引用调用子类中重写的方法，从而实现不同的行为

2.实现多态的条件

在Java中，要实现多态必须满足以下条件，缺一不可：

1.在继承体系下
2.父类引用指向子类对象（向上转型）
3.子类必须对父类中的可重写方法进行重写
4.通过父类引用调用子类中重写的方法

在实现多态之前，我们必须先搞清楚向上转型和重写是什么

3.向上转型

3.1 概念

向上转型是面向对象编程中的一种类型转换机制，它允许将子类的对象引用转换为父类的引用。这种类型转换是安全的，隐式的

3.2 语法格式

父类类型变量名 = new 子类对象

public class Animal {public int age;public String name;
}
public class Dog extends Animal {public String color;
}
public class Test {public static void main(String[] args) {Animal dog = new Dog();}
}

在上述代码中，Dog类继承自Animal类，在实例化Dog对象的时候，创建了一个父类类型的引用（变量）来指向该对象，这就是向上转型，下面我画个图来表示父类引用和子类对象在内存中的关系图：
在这里插入图片描述
实现向上转型有三种方式：
(1)直接赋值：

Animal dog = new Dog();

(2)方法传参：

public class Test {public static void func(Animal a) {a.eat();}public static void main(String[] args) {Dog dog = new Dog();func(dog);}
}

(3)方法返回值：

public class Test {public static Animal func(String value) {if (value.equals("cat")) {return new Cat();}else if (value.equals("dog")) {return new Dog();}else {return null;}}public static void main(String[] args) {Animal animal = func("cat");}
}

注意：当发生向上转型后，父类引用无法访问子类中原有的属性和方法，只能访问从父类中继承而来的属性和方法，也就是说父类引用的访问范围如下：

那么，在已经发生向上转型后，如何才能访问子类原有的属性和方法呢？
有两个办法：

1.向下转型
2.使用多态性

4.向下转型

4.1 如何使用向下转型

通过显式地将父类引用转换为子类引用，可以访问子类原有的属性和访问

public class Animal {public int age;public String name;
}
public class Dog extends Animal {public String color;
}
public class Test {public static void main(String[] args) {//向上转型Animal dog = new Dog();System.out.println(dog.age = 10);System.out.println(dog.name = "Dog");//向下转型Dog dog1 = (Dog) dog;System.out.println(dog1.color = "白色");}
}

允许结果：
10
Dog
白色

4.2 向下转型存在的风险

注意：
向下转型在**编译**时是允许的，但如果没有正确地检查对象的实际类型，运行时可能会抛出ClassCastException异常。这是因为父类引用可能实际上引用的是父类本身或其他子类的对象，而不是目标子类的对象

public class Animal {public int age;public String name;
}
//Dog类继承Animal
public class Dog extends Animal {public String color;
}
//Cat类继承Animal
public class Cat extends Animal {public int weight;
}
public class Test {public static void main(String[] args) {//向上转型Animal dog = new Dog();System.out.println(dog.age = 10);System.out.println(dog.name = "Dog");//向下转型Dog dog1 = (Dog) dog;System.out.println(dog1.color = "白色");//错误的向下转型Cat cat = (Cat) dog;cat.weight = 10;}
}

上述代码中，Dog和Cat都继承自Animal，但是在发生向下转型的时候，使用Cat类型的引用指向Dog对象。这在编译时是不会报错的，因为Cat和Dog同属于Animal的子类，但是当程序运行之后就会抛出ClassCastException异常

因为向下转型本质上是强制类型转换，将Animal dog引用（指向Dog对象的引用）强转为Dog类型是允许的，因为Dog类型的引用指向Dog对象很合理；但是，如果将Animal dog引用（指向Dog对象的引用）强转为Cat类型，这是不允许的，因为Cat类型的引用无法指向Dog对象。这就相当于无法将boolean类型强转为int类型

4.3 instanceof运算符

如果用户错误地使用向下转型，在编译阶段是不容易被察觉出来的，只有运行阶段才会报错。如果程序运行起来之后才发现错误，可能已经带来了损失，所以为了规避这一情况，Java引入了instanceof运算符来帮助用户检测错误

public class Animal {public int age;public String name;
}
//Dog类继承Animal
public class Dog extends Animal {public String color;
}
//Cat类继承Animal
public class Cat extends Animal {public int weight;
}
public class Test {public static void main(String[] args) {//向上转型Animal dog = new Dog();System.out.println(dog.age = 10);System.out.println(dog.name = "Dog");//向下转型if (dog instanceof Dog) {//dog instanceof Dog 为true//说明该向下转型是安全的Dog dog1 = (Dog) dog;}if (dog instanceof Cat) {//dog instanceof Cat 为false//说明该向下转型是不安全的,不执行if语句中的代码Cat cat = (Cat) dog;}}
}

5.重写

5.1 概念

**重写(Override)**是面向对象编程中的一个重要概念，它允许子类提供一个与父类中已定义的方法具有相同名称、参数列表和返回类型的方法。重写使得子类能够改变或扩展父类方法的实现

5.2 语法格式

public class Animal {public int age;public String name;//父类的eat方法public Animal eat() {System.out.println("Animal is eating.");return null;}
}
public class Dog extends Animal {public String color;//重写父类的eat方法@Overridepublic Dog eat() {System.out.println("Dog is eating.");return null;}
}

重写的规则：

1.子类重写父类的方法时，必须和父类的方法名、参数列表保持一致
2.返回值类型可以不一样，但必须具有父子关系。上述代码中，子类重写的方法的返回值类型可以是被重写方法返回值类型的子类
3.子类中重写方法的访问权限必须大于等于父类中被重写的方法
4.父类中被static、final、private修饰的方法以及构造方法不能被重写
5.重写方法是可以借助@Override注解。虽然这个注解不影响方法的实现逻辑，但是可以帮助我们进行合法性检查。比如：如果不小心将方法名写错了（写成了ate），注解就会帮我们报错
6.重写只针对方法，和属性/变量无关

5.3 重写和重载的区别

特性	重载(Overload)	重写(Override)
定义	在同一个类中，方法名相同但参数列表不同	在子类中重新定义一个与父类中已定义的方法具有相同签名、返回值一样或这具有父子关系的方法
目的	提供方法的不同实现，以适应不同的参数类型和数量	改变或扩展父类方法的实现
访问限定修饰符	无要求	子类方法的访问权限必须大于等于父类方法
调用时机	编译时根据参数列表来确定调用哪个方法	运行时确定
关键字	无关键字	可以借助@Override注解

5.4 动态绑定

上面讲向上转型时讲过，当父类引用指向子类对象时，该父类引用只能访问子类中继承自父类的属性和方法。那么，当向上转型和方法重写同时发生时，会碰撞出怎么样的火花呢？

public class Animal {public int age;public String name;//父类的eat方法public Animal eat() {System.out.println("Animal is eating.");return null;}
}
public class Dog extends Animal {public String color;//重写父类的eat方法@Overridepublic Dog eat() {System.out.println("Dog is eating.");return null;}
}
public class Test {public static void main(String[] args) {Animal dog = new Dog();dog.eat();}
}

在上述代码中，引用指向子类的对象，再通过该父类引用去调用父类中被重写的eat方法，按照我们之前学习的知识，此时运行结果应该是：Animal is eating.，但实际上：

运行结果：
Dog is eating.

这里可以得出一个结论：当父类引用去调用父类中被重写的方法时，真正被调用的方法是子类中重写的方法。
注意：

1.具体最终调用哪个方法，在编译时无法确定，在运行时根据对象的实际类型来确定

在编译时认为调用Animal中的eat方法，但是根据运行结果来看，实际上调用的是子类中重写的eat方法
2.在运行时确定调用的具体方法，这称之为动态绑定/后期绑定，也是实现多态的基础

6. 多态

6.1 多态的具体实现

public class Animal {public int age;public String name;//父类的eat方法public Animal eat() {System.out.println("Animal is eating.");return null;}
}
public class Dog extends Animal {public String color;//重写父类的eat方法@Overridepublic Dog eat() {System.out.println("Dog is eating.");return null;}
}
public class Cat extends Animal {public int weight;//重写父类的eat方法@Overridepublic Cat eat() {System.out.println("Cat is eating.");return null;}
}
public class Test {public static void func(Animal animal) {animal.eat();}public static void main(String[] args) {Dog dog = new Dog();Cat cat = new Cat();func(dog);func(cat);}
}

运行结果：
Dog is eating.
Cat is eating.

这里我们再回顾一下多态的概念：多态允许基类/父类的引用指向派生类/子类的对象（向上转型），并通过该引用调用子类中重写的方法，从而实现不同的行为。

在上述func方法中，同样是通过animal形参来调用eat方法，两个运行的结果发生了变化，这个过程就叫做多态

6.2 使用多态降低圈复杂度

什么叫圈复杂度？
圈复杂度是一种描述一段代码复杂程度的方式。如果一段代码平铺直叙，那么就比较容易理解；如果一段代码使用很多的条件分支或者循环语句，就认为代码理解起来比较复杂。

我们可以简单地举个例子，一层if-else语句表示一圈复杂度，如果一段代码的圈复杂度太高，就需要考虑重新构建该代码的结果。一般来说，圈复杂度不应该超过10。
现在我们需要打印多个图形

public class Shape {public void draw() {System.out.println("Shape");}
}
public class Flower extends Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("flower");}
}
public class Rect extends Shape{@Overridepublic void draw() {System.out.println("rect");}
}
public class Circle extends Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("circle");}
}

下面是不使用多态的代码：

public class Test {public static void main(String[] args) {String[] array = new String[]{"flower","rect","circle"};//for(String cur : array) {if(cur.equals("flower")) {new Flower().draw();}else if(cur.equals("rect")) {new Rect().draw();}else {new Circle().draw();}}}
}

下面是使用多态的代码：

public class Test {public static void main(String[] args) {Shape[] array = new Shape[]{new Flower(), new Rect(), new Circle()};for(Shape cur : array) {cur.draw();}}
}