Java多态详解及对象的向上转型、向下转型
目录
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- 1. 概述
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- 定义
- 前提条件
- 2. 多态的体现
- 3. 多态的好处
- 4. 引用类型转换
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- 向上转型
- 向下转型
- 为什么要转型
- 转型的异常
- instanceof 关键字
- 5. 多态的弊端
- 6. 接口多态案例
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- 案例需求
- 代码实现
1. 概述
生活中，比如跑的动作，小猫、小狗和大象，跑起来是不一样的。再比如飞的动作，昆虫、鸟类和飞机，飞起来也是不一样的。可见，同一行为，通过不同的事物，可以体现出来的不同的形态。多态，描述的就是这样的状态。
定义
- 多态： 是指对同一方法的调用，由于编译时类型和运行时类型不一致可能会有不同的行为
前提条件
- 继承或者实现【二选一】
- 方法的重写【意义体现：不重写，无意义】
- 父类引用指向子类对象【格式体现】
2. 多态的体现
多态体现的格式：
父类类型 变量名 = 子类对象;
变量名.方法名();
父类类型：指子类对象继承的父类类型（包括抽象类），或者实现的父接口类型。
相应的就有三种多态形式：普通类多态、抽象类多态、接口多态。
代码如下：
Fu f = new Zi();
f.method();
父类类型的变量可以指向子类类型的对象，内存中创建的还是子类的对象，调用的方法是子类的实现；
同一个父类的方法可以被多个子类重写，调用的是各个子类重写后的方法。一个引用类型变量如果声明为父类的类型，但实际引用的是子类对象，那么该变量就不能再访问子类中添加的属性和方法。
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，则编译不通过；如果有，执行的是子类重写后的方法
代码如下：
定义父类：
public abstract class Animal {
public abstract void eat();
}
定义子类：
class Cat extends Animal {
public void eat() {
System.out.println("吃鱼");
}
}
class Dog extends Animal {
public void eat() {
System.out.println("吃骨头");
}
}
定义测试类：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 抽象类多态形式，创建对象，抽象类引用指向子类对象
Animal a1 = new Cat();
// 调用的是 Cat 的 eat方法
a1.eat();
// 抽象类多态形式，创建对象，抽象类引用指向子类对象
Animal a2 = new Dog();
// 调用的是 Dog 的 eat方法
a2.eat();
}
}
多态指的是方法的多态，成员变量没有多态的概念:
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多态下的成员变量：
- 编译时期：检查父类型中是否有被调用的成员变量，没有则编译失败。
- 运行时期：调用父类型中的成员变量。
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多态下的成员方法：
- 编译时期：检查父类型中是否有被调用的成员方法，没有则编译失败。
- 运行时期：运行子类（实现类）重写后的方法。
3. 多态的好处
实际开发的过程中，父类类型作为方法形式参数，传递子类对象给方法，进行方法的调用，更能体现出多态的扩展性与便利。代码如下：
定义父类：
public abstract class Animal {
public abstract void eat();
}
定义子类：
class Cat extends Animal {
public void eat() {
System.out.println("吃鱼");
}
}
class Dog extends Animal {
public void eat() {
System.out.println("吃骨头");
}
}
定义测试类：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Cat c = new Cat();
Dog d = new Dog();
// 调用showCatEat
showCatEat(c);
// 调用showDogEat
showDogEat(d);
/*
以上两个方法, 均可以被showAnimalEat(Animal a)方法所替代
而执行效果一致
*/
showAnimalEat(c);
showAnimalEat(d);
}
public static void showCatEat (Cat c){
c.eat();
}
public static void showDogEat (Dog d){
d.eat();
}
// 抽象类作为方法形参，需要传递子类对象的地址
public static void showAnimalEat (Animal a){
a.eat();
}
}
由于多态特性的支持，showAnimalEat方法的形参是Animal类型，是Cat和Dog的父类类型，父类类型接收子类对象，当然可以把Cat对象和Dog对象 传递给showAnimalEat方法。
当eat方法执行时，执行的是子类重写的方法，那么效果自然与showCatEat、showDogEat方法一致，所以showAnimalEat完全可以替代以上两方法。
不仅仅是替代，在扩展性方面，无论之后再多的子类出现，我们都不需要编写showXxxEat方法了，直接使用showAnimalEat都可以完成。
所以，多态的好处，体现在，可以简化程序代码，并有良好的扩展性。
4. 引用类型转换
多态的转型分为向上转型与向下转型两种：
向上转型
- 向上转型：多态本身是子类类型向父类类型向上转换的过程，这个过程是默认的。
当父类引用指向一个子类对象时，便是向上转型。
使用格式：
父类类型 变量名 = 子类对象;
如：Animal a = new Cat();
向下转型
- 向下转型：父类类型向子类类型向下转换的过程，这个过程是强制的。
一个已经向上转型的子类对象，将父类引用转为子类引用，可以使用强制类型转换的格式，便是向下转型。
使用格式：
子类类型 变量名 = (子类类型) 父类变量名;
如:Cat c =(Cat) a;
为什么要转型
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。也就是说，不能调用子类拥有 而父类没有的方法。编译都错误，更别说运行了。所以，想要调用子类特有的方法，必须做向下转型。
转型演示，代码如下：
定义类：
abstract class Animal {
abstract void eat();
}
class Cat extends Animal {
public void eat() {
System.out.println("吃鱼");
}
public void catchMouse() {
System.out.println("抓老鼠");
}
}
class Dog extends Animal {
public void eat() {
System.out.println("吃骨头");
}
public void watchHouse() {
System.out.println("看家");
}
}
定义测试类：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 向上转型
Animal a = new Cat();
a.eat(); // 调用的是Cat的eat()
// 向下转型
Cat c = (Cat)a;
c.catchMouse(); // 调用的是Cat的catchMouse()
}
}
对象的上下转型原理：
转型的异常
转型的过程中，一不小心就会遇到这样的问题，请看如下代码：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 向上转型
Animal a = new Cat();
a.eat(); // 调用的是Cat的eat
// 向下转型
Dog d = (Dog)a; // 本来是猫，强转为狗
d.watchHouse(); // 调用的是Dog的watchHouse 【运行报错】
}
}
这段代码可以通过编译，但是运行时，却报出了 ClassCastException ，类型转换异常！这是因为，明明创建了Cat类型对象，运行时，是不能转换成Dog对象的。这两个类型并没有任何继承关系，不符合类型转换的定义。
instanceof 关键字
为了避免ClassCastException的发生，Java提供了 instanceof 关键字，给引用变量做类型的校验，判断前面的对象是否是后面类型的实例，格式如下：
变量名 instanceof 数据类型
如果变量属于该数据类型，返回true
如果变量不属于该数据类型，返回false
所以，转换前，我们最好先做一个判断，代码如下：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 向上转型
Animal a = new Cat();
a.eat(); // 调用的是Cat的eat()
// 向下转型
if (a instanceof Cat){
Cat c = (Cat)a;
c.catchMouse(); // 调用的是Cat的catchMouse()
} else if (a instanceof Dog){
Dog d = (Dog)a;
d.watchHouse(); // 调用的是Dog的watchHouse()
}
}
}
5. 多态的弊端
向上转型只能使用父类共性的内容，而无法使用子类特有功能，功能有限制；当要使用子类特有功能时，就需要进行向下转型，且容易发生ClassCastException类型转换异常，在转换之前必须做类型判断。
6. 接口多态案例
案例需求
笔记本电脑通常具备使用USB设备的功能。在生产时，笔记本都预留了可以插入USB设备的USB接口，但具体是什么USB设备，笔记本厂商并不关心，只要符合USB规范的设备都可以。
定义USB接口，具备最基本的开启功能和关闭功能。鼠标和键盘要想能在电脑上使用，那么鼠标和键盘也必须遵守USB规范，实现USB接口，否则鼠标和键盘的生产出来也无法使用。
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USB接口，包含开启功能、关闭功能
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笔记本类，包含运行功能、关机功能、使用USB设备功能
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鼠标类，要符合USB接口，并具备点击的方法
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键盘类，要符合USB接口，并具备敲击的方法
代码实现
定义USB接口：
//定义鼠标、键盘，笔记本三者之间应该遵守的规则
public interface USB {
void open();// 开启功能
void close();// 关闭功能
}
定义鼠标类：
//鼠标实现USB规则
public class Mouse implements USB {
public void open() {
System.out.println("鼠标开启");
}
public void close() {
System.out.println("鼠标关闭");
}
public void click() {
System.out.println("鼠标点击");
}
}
定义键盘类：
//键盘实现USB规则
public class KeyBoard implements USB {
public void open() {
System.out.println("键盘开启");
}
public void close() {
System.out.println("键盘关闭");
}
public void type () {
System.out.println("键盘打字");
}
}
定义笔记本类：
//定义笔记本
public class NoteBook {
// 笔记本开启运行功能
public void run() {
System.out.println("笔记本运行");
}
// 笔记本使用usb设备，这时当笔记本对象调用这个功能时，必须给其传递一个符合USB规则的USB设备
public void useUSB(USB usb) {
// 判断是否有USB设备
if (usb != null) {
usb.open();
// 类型转换,调用特有方法
if (usb instanceof Mouse) {
Mouse m = (Mouse) usb;
m.click();
} else if (usb instanceof KeyBoard) {
KeyBoard kb = (KeyBoard) usb;
kb.type();
}
usb.close();
}
}
public void shutDown() {
System.out.println("笔记本关闭");
}
}
测试类：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 创建笔记本对象
NoteBook nb = new NoteBook();
// 笔记本开启
nb.run();
// 创建鼠标对象
Mouse m = new Mouse();
// 笔记本使用鼠标
nb.useUSB(m);
// 创建键盘对象
KeyBoard kb = new KeyBoard();
// 笔记本使用键盘
nb.useUSB(kb);
// 笔记本关闭
nb.shutDown();
}
}