本章概要
- 组合语法
- 继承语法
- 初始化基类
- 带参数的构造函数
- 委托
代码复用是面向对象编程(OOP)最具魅力的原因之一。
对于像 C 语言等面向过程语言来说,"复用"通常指的就是"复制代码"。任何语言都可通过简单复制来达到代码复用的目的,但是这样做的效果并不好。Java 围绕"类"(Class)来解决问题。我们可以直接使用别人构建或调试过的代码,而非创建新类、重新开始。
如何在不污染源代码的前提下使用现存代码是需要技巧的。学习以下两种方式来达到这个目的:
- 第一种方式直接了当。在新类中创建现有类的对象。这种方式叫做"组合"(Composition),通过这种方式复用代码的功能,而非其形式。
- 第二种方式更为微妙。创建现有类类型的新类。照字面理解:采用现有类形式,又无需在编码时改动其代码,这种方式就叫做"继承"(Inheritance),编译器会做大部分的工作。继承是面向对象编程(OOP)的重要基础之一。更多功能相关将在多态(Polymorphism)章节中介绍。
组合与继承的语法、行为上有许多相似的地方(这其实是有道理的,毕竟都是基于现有类型构建新的类型)。在本章中,你会学到这两种代码复用的方法。
组合语法
在前面的学习中,"组合"(Composition)已经被多次使用。你仅需要把对象的引用(object references)放置在一个新的类里,这就使用了组合。例如,假设你需要一个对象,其中内置了几个 String 对象,两个基本类型(primitives)的属性字段,一个其他类的对象。对于非基本类型对象,将引用直接放置在新类中,对于基本类型属性字段则仅进行声明。
java
class WaterSource {
private String s;
WaterSource() {
System.out.println("WaterSource()");
s = "Constructed";
}
@Override
public String toString() {
return s;
}
}
public class SprinklerSystem {
private String valve1, valve2, valve3, valve4;
private WaterSource source = new WaterSource();
private int i;
private float f;
@Override
public String toString() {
return "valve1 = " + valve1 + " " +
"valve2 = " + valve2 + " " +
"valve3 = " + valve3 + " " +
"valve4 = " + valve4 + "\n" +
"i = " + i + " " + "f = " + f + " " +
"source = " + source; // [1]
}
public static void main(String[] args) {
SprinklerSystem sprinklers = new SprinklerSystem();
System.out.println(sprinklers);
}
}
latex
WaterSource()
valve1 = null valve2 = null valve3 = null valve4 = null
i = 0 f = 0.0 source = Constructed
这两个类中定义的一个方法是特殊的: toString()
。每个非基本类型对象都有一个 toString()
方法,在编译器需要字符串但它有对象的特殊情况下调用该方法。因此,在 [1] 中,编译器看到你试图"添加"一个 WaterSource 类型的字符串对象 。因为字符串只能拼接另一个字符串,所以它就先会调用 toString()
将 source 转换成一个字符串。然后,它可以拼接这两个字符串并将结果字符串传递给 System.out.println()
。要对创建的任何类允许这种行为,只需要编写一个 toString() 方法。在 toString()
上使用 @Override ** 注解来告诉编译器,以确保正确地覆盖。 @Override ** 是可选的,但它有助于验证你没有拼写错误 (或者更微妙地说,大小写字母输入错误)。类中的基本类型字段自动初始化为零,正如 object Everywhere 一章中所述。但是对象引用被初始化为 null ,如果你尝试调用其任何一个方法,你将得到一个异常(一个运行时错误)。方便的是,打印 null 引用却不会得到异常。
编译器不会为每个引用创建一个默认对象,这是有意义的,因为在许多情况下,这会导致不必要的开销。初始化引用有四种方法:
- 当对象被定义时。这意味着它们总是在调用构造函数之前初始化。
- 在该类的构造函数中。
- 在实际使用对象之前。这通常称为_延迟初始化_。在对象创建开销大且不需要每次都创建对象的情况下,它可以减少开销。
- 使用实例初始化。
以上四种实例创建的方法例子在这:
java
class Soap {
private String s;
Soap() {
System.out.println("Soap()");
s = "Constructed";
}
@Override
public String toString() {
return s;
}
}
public class Bath {
private String // Initializing at point of definition:
s1 = "Happy",
s2 = "Happy",
s3, s4;
private Soap castille;
private int i;
private float toy;
public Bath() {
System.out.println("Inside Bath()");
s3 = "Joy";
toy = 3.14f;
castille = new Soap();
}
// Instance initialization:
{
i = 47;
}
@Override
public String toString() {
if (s4 == null) // Delayed initialization:
{
s4 = "Joy";
}
return "s1 = " + s1 + "\n" +
"s2 = " + s2 + "\n" +
"s3 = " + s3 + "\n" +
"s4 = " + s4 + "\n" +
"i = " + i + "\n" +
"toy = " + toy + "\n" +
"castille = " + castille;
}
public static void main(String[] args) {
Bath b = new Bath();
System.out.println(b);
}
}
在 Bath 构造函数中,有一个代码块在所有初始化发生前就已经执行了。当你不在定义处初始化时,仍然不能保证在向对象引用发送消息之前执行任何初始化------如果你试图对未初始化的引用调用方法,则未初始化的引用将产生运行时异常。
当调用 toString()
时,它将赋值 s4,以便在使用字段的时候所有的属性都已被初始化。
继承语法
继承是所有面向对象语言的一个组成部分。事实证明,在创建类时总是要继承,因为除非显式地继承其他类,否则就隐式地继承 Java 的标准根类对象(Object)。
组合的语法很明显,但是继承使用了一种特殊的语法。当你继承时,你说,"这个新类与那个旧类类似。你可以在类主体的左大括号前的代码中声明这一点,使用关键字 extends 后跟基类的名称。当你这样做时,你将自动获得基类中的所有字段和方法。这里有一个例子:
java
class Cleanser {
private String s = "Cleanser";
public void append(String a) {
s += a;
}
public void dilute() {
append(" dilute()");
}
public void apply() {
append(" apply()");
}
public void scrub() {
append(" scrub()");
}
@Override
public String toString() {
return s;
}
public static void main(String[] args) {
Cleanser x = new Cleanser();
x.dilute();
x.apply();
x.scrub();
System.out.println(x);
}
}
public class Detergent extends Cleanser {
// Change a method:
@Override
public void scrub() {
append(" Detergent.scrub()");
super.scrub(); // Call base-class version
}
// Add methods to the interface:
public void foam() {
append(" foam()");
}
// Test the new class:
public static void main(String[] args) {
Detergent x = new Detergent();
x.dilute();
x.apply();
x.scrub();
x.foam();
System.out.println(x);
System.out.println("Testing base class:");
Cleanser.main(args);
}
}
latex
Cleanser dilute() apply() scrub()
Cleanser dilute() apply() Detergent.scrub() scrub() foam()
Testing base class:
Cleanser dilute() apply() scrub()
这演示了一些特性。首先,在 Cleanser 的 append()
方法中,使用 +=
操作符将字符串连接到 s,这是 Java 设计人员"重载"来处理字符串的操作符之一 (还有 + )。
第二,Cleanser 和 Detergent 都包含一个 main()
方法。你可以为每个类创建一个 main()
; 这允许对每个类进行简单的测试。当你完成测试时,不需要删除 main()
; 你可以将其留在以后的测试中。即使程序中有很多类都有 main()
方法,惟一运行的只有在命令行上调用的 main()
。这里,当你使用 java Detergent 时候,就调用了 Detergent.main()
。但是你也可以使用 java Cleanser 来调用 Cleanser.main()
,即使 Cleanser 不是一个公共类。即使类只具有包访问权,也可以访问 public main()
。
在这里,Detergent.main()
显式地调用 Cleanser.main()
,从命令行传递相同的参数(当然,你可以传递任何字符串数组)。
Cleanser 中的所有方法都是公开的。请记住,如果不使用任何访问修饰符,则成员默认为包访问权限,这只允许包内成员访问。因此,如果没有访问修饰符,那么包内的任何人都可以使用这些方法。例如,Detergent 就没有问题。但是,如果其他包中的类继承 Cleanser ,则该类只能访问 Cleanser 的公共成员。因此,为了允许继承,一般规则是所有字段为私有,所有方法为公共。(protected成员也允许派生类访问;你以后会知道的。)在特定的情况下,你必须进行调整,但这是一个有用的指南。
Cleanser 的接口中有一组方法: append()
、dilute()
、apply()
、scrub()
和 toString()
。因为 Detergent 是从 Cleanser 派生的(通过 extends 关键字),所以它会在其接口中自动获取所有这些方法,即使你没有在 Detergent 中看到所有这些方法的显式定义。那么,可以把继承看作是复用类。如在 scrub()
中所见,可以使用基类中定义的方法并修改它。在这里,你可以在新类中调用基类的该方法。但是在 scrub()
内部,不能简单地调用 scrub()
,因为这会产生递归调用。为了解决这个问题,Java的 super 关键字引用了当前类继承的"超类"(基类)。因此表达式 super.scrub()
调用方法 scrub()
的基类版本。
继承时,你不受限于使用基类的方法。你还可以像向类添加任何方法一样向派生类添加新方法:只需定义它。方法 foam()
就是一个例子。Detergent.main()
中可以看到,对于 Detergent 对象,你可以调用 Cleanser 和 Detergent 中可用的所有方法 (如 foam()
)。
初始化基类
现在涉及到两个类:基类和派生类。想象派生类生成的结果对象可能会让人感到困惑。从外部看,新类与基类具有相同的接口,可能还有一些额外的方法和字段。但是继承并不只是复制基类的接口。当你创建派生类的对象时,它包含基类的子对象。这个子对象与你自己创建基类的对象是一样的。只是从外部看,基类的子对象被包装在派生类的对象中。
必须正确初始化基类子对象,而且只有一种方法可以保证这一点 : 通过调用基类构造函数在构造函数中执行初始化,该构造函数具有执行基类初始化所需的所有适当信息和特权。Java 自动在派生类构造函数中插入对基类构造函数的调用。下面的例子展示了三个层次的继承:
java
class Art {
Art() {
System.out.println("Art constructor");
}
}
class Drawing extends Art {
Drawing() {
System.out.println("Drawing constructor");
}
}
public class Cartoon extends Drawing {
public Cartoon() {
System.out.println("Cartoon constructor");
}
public static void main(String[] args) {
Cartoon x = new Cartoon();
}
}
latex
Art constructor
Drawing constructor
Cartoon constructor
构造从基类"向外"进行,因此基类在派生类构造函数能够访问它之前进行初始化。即使不为 Cartoon 创建构造函数,编译器也会为你合成一个无参数构造函数,调用基类构造函数。尝试删除 Cartoon 构造函数来查看这个。
带参数的构造函数
上面的所有例子中构造函数都是无参数的 ; 编译器很容易调用这些构造函数,因为不需要参数。如果没有无参数的基类构造函数,或者必须调用具有参数的基类构造函数,则必须使用 super 关键字和适当的参数列表显式地编写对基类构造函数的调用:
java
// reuse/Chess.java
// (c)2017 MindView LLC: see Copyright.txt
// We make no guarantees that this code is fit for any purpose.
// Visit http://OnJava8.com for more book information.
// Inheritance, constructors and arguments
class Game {
Game(int i) {
System.out.println("Game constructor");
}
}
class BoardGame extends Game {
BoardGame(int i) {
super(i);
System.out.println("BoardGame constructor");
}
}
public class Chess extends BoardGame {
Chess() {
super(11);
System.out.println("Chess constructor");
}
public static void main(String[] args) {
Chess x = new Chess();
}
}
/* Output:
Game constructor
BoardGame constructor
Chess constructor
*/
如果没有在 BoardGame 构造函数中调用基类构造函数,编译器就会报错找不到 Game()
的构造函数。此外,对基类构造函数的调用必须是派生类构造函数中的第一个操作。(如果你写错了,编译器会提醒你。)
委托
Java 不直接支持的第三种重用关系称为委托。这介于继承和组合之间,因为你将一个成员对象放在正在构建的类中(比如组合),但同时又在新类中公开来自成员对象的所有方法(比如继承)。例如,宇宙飞船需要一个控制模块:
java
// reuse/SpaceShipControls.java
// (c)2017 MindView LLC: see Copyright.txt
// We make no guarantees that this code is fit for any purpose.
// Visit http://OnJava8.com for more book information.
public class SpaceShipControls {
void up(int velocity) {}
void down(int velocity) {}
void left(int velocity) {}
void right(int velocity) {}
void forward(int velocity) {}
void back(int velocity) {}
void turboBoost() {}
}
建造宇宙飞船的一种方法是使用继承:
java
// reuse/DerivedSpaceShip.java
// (c)2017 MindView LLC: see Copyright.txt
// We make no guarantees that this code is fit for any purpose.
// Visit http://OnJava8.com for more book information.
public class DerivedSpaceShip extends SpaceShipControls {
private String name;
public DerivedSpaceShip(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public String toString() { return name; }
public static void main(String[] args) {
DerivedSpaceShip protector = new DerivedSpaceShip("NSEA Protector");
protector.forward(100);
}
}
然而, DerivedSpaceShip 并不是真正的"一种" SpaceShipControls ,即使你"告诉" DerivedSpaceShip 调用 forward()
。更准确地说,一艘宇宙飞船包含了 SpaceShipControls ,同时 SpaceShipControls 中的所有方法都暴露在宇宙飞船中。委托解决了这个难题:
java
// reuse/SpaceShipDelegation.java
// (c)2017 MindView LLC: see Copyright.txt
// We make no guarantees that this code is fit for any purpose.
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public class SpaceShipDelegation {
private String name;
private SpaceShipControls controls = new SpaceShipControls();
public SpaceShipDelegation(String name) {
this.name = name;
}
// Delegated methods:
public void back(int velocity) {
controls.back(velocity);
}
public void down(int velocity) {
controls.down(velocity);
}
public void forward(int velocity) {
controls.forward(velocity);
}
public void left(int velocity) {
controls.left(velocity);
}
public void right(int velocity) {
controls.right(velocity);
}
public void turboBoost() {
controls.turboBoost();
}
public void up(int velocity) {
controls.up(velocity);
}
public static void main(String[] args) {
SpaceShipDelegation protector = new SpaceShipDelegation("NSEA Protector");
protector.forward(100);
}
}
方法被转发到底层 control 对象,因此接口与继承的接口是相同的。但是,你对委托有更多的控制,因为你可以选择只在成员对象中提供方法的子集。
虽然Java语言不支持委托,但是开发工具常常支持。例如,上面的例子是使用 JetBrains Idea IDE 自动生成的。