Java向上转型与向下转型

向上转型

如果一个引用变量的类型是Student,那么它可以指向一个Student类型的实例:

Student s = new Student();

如果一个引用类型的变量是Person,那么它可以指向一个Person类型的实例:

Person p = new Person();

现在问题来了:如果Student是从Person继承下来的,那么,一个引用类型为Person的变量,能否指向Student类型的实例?

Person p = new Student(); // ???

测试一下就可以发现,这种指向是允许的!

这是因为Student继承自Person,因此,它拥有Person的全部功能。Person类型的变量,如果指向Student类型的实例,对它进行操作,是没有问题的!

这种把一个子类类型安全地变为父类类型的赋值,被称为向上转型(upcasting)

向上转型实际上是把一个子类型安全地变为更加抽象的父类型:

Student s = new Student();
Person p = s; // upcasting, ok
Object o1 = p; // upcasting, ok
Object o2 = s; // upcasting, ok

注意到继承树是Student > Person > Object,所以,可以把Student类型转型为Person,或者更高层次的Object。

向下转型

和向上转型相反,如果把一个父类类型强制转型为子类类型,就是向下转型(downcasting)。例如:

Person p1 = new Student(); // upcasting, ok
Person p2 = new Person();
Student s1 = (Student) p1; // ok
Student s2 = (Student) p2; // runtime error! ClassCastException!

如果测试上面的代码,可以发现:

Person类型p1实际指向Student实例,Person类型变量p2实际指向Person实例。在向下转型的时候,把p1转型为Student会成功,因为p1确实指向Student实例,把p2转型为Student会失败,因为p2的实际类型是Person,不能把父类变为子类,因为子类功能比父类多,多的功能无法凭空变出来。

因此,向下转型很可能会失败。失败的时候,Java虚拟机会报ClassCastException。

为了避免向下转型出错,Java提供了instanceof操作符,可以先判断一个实例究竟是不是某种类型:

Person p = new Person();
System.out.println(p instanceof Person); // true
System.out.println(p instanceof Student); // false

Student s = new Student();
System.out.println(s instanceof Person); // true
System.out.println(s instanceof Student); // true

Student n = null;
System.out.println(n instanceof Student); // false

instanceof实际上判断一个变量所指向的实例是否是指定类型,或者这个类型的子类。如果一个引用变量为null,那么对任何instanceof的判断都为false。

利用instanceof,在向下转型前可以先判断:

Person p = new Student();
if (p instanceof Student) {
    // 只有判断成功才会向下转型:
    Student s = (Student) p; // 一定会成功
}

从Java 14开始,判断instanceof后,可以直接转型为指定变量,避免再次强制转型。例如,对于以下代码:

Object obj = "hello";
if (obj instanceof String) {
    String s = (String) obj;
    System.out.println(s.toUpperCase());
}

可以改写如下:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = "hello";
        if (obj instanceof String s) {
            // 可以直接使用变量s:
            System.out.println(s.toUpperCase());
        }
    }
}

这种使用instanceof的写法更加简洁。

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