品味Java子类型多态的魅力

2019-11-18 10:41:33

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供稿：网友

　　摘要：

　　java程序员经常运用对象的多态性使其在适当的地方调用适当的方法，显得很神奇。这种方法通过继续机制来实现。然而，一个严谨的实验可以使其变得很明白，并揭示了，把多态性理解为与类型相关的概念更为合适，比继续机制的解释更好。这种理解可以帮助程序员更好的运用多态。

　　　　　　　　　　　　　　　　　------WM.保罗罗格斯

　　“polymorphism(多态）”一词来自希腊语，意为“多种形式”。多数Java程序员把多态看作对象的一种能力，使其能调用正确的方法版本。尽管如此，这种面向实现的观点导致了多态的神奇功能，胜于仅仅把多态看成纯粹的概念。

　　Java中的多态总是子类型的多态。几乎是机械式产生了一些多态的行为，使我们不去考虑其中涉及的类型问题。本文研究了一种面向类型的对象观点，分析了如何将对象能够表现的行为和对象即将表现的行为分离开来。抛开Java中的多态都是来自继续的概念，我们仍然可以感到，Java中的接口是一组没有公共代码的对象共享实现。

　　多态的分类

　　多态在面向对象语言中是个很普遍的概念.虽然我们经常把多态混为一谈，但实际上有四种不同类型的多态。在开始正式的子类型多态的细节讨论前，然我们先来看看普通面向对象中的多态。

　　LUCa Cardelli和Peter Wegner（"On Understanding Types, Data Abstraction, and Polymorphism"一文的作者，文章参考资源链接）把多态分为两大类----特定的和通用的----四小类：强制的，重载的，参数的和包含的。他们的结构如下：

品味Java子类型多态的魅力（图一）

　　在这样一个体系中，多态表现出多种形式的能力。通用多态引用有相同结构类型的大量对象，他们有着共同的特征。特定的多态涉及的是小部分没有相同特征的对象。四种多态可做以下描述：

　　强制的：一种隐式做类型转换的方法。

　　重载的：将一个标志符用作多个意义。

　　参数的：为不同类型的参数提供相同的操作。

　　包含的：类包含关系的抽象操作。

　　我将在讲述子类型多态前简单介绍一下这几种多态。
　　强制的多态

　　强制多态隐式的将参数按某种方法，转换成编译器认为正确的类型以避免错误。在以下的表达式中，编译器必须决定二元运算符‘+’所应做的工作：

　　2.0 + 2.0

　　2.0 + 2

　　2.0 + "2"

　　第一个表达式将两个double的操作数相加；Java中非凡声明了这种用法。

　　第二个表达式将double型和int相加。Java中没有明确定义这种运算。不过，编译器隐式的将第二个操作数转换为double型，并作double型的加法。做对程序员来说十分方便，否则将会抛出一个编译错误，或者强制程序员显式的将int转换为double。

　　第三个表达式将double与一个String相加。Java中同样没有定义这样的操作。所以，编译器将double转换成String类型，并将他们做串联。

　　强制多态也会发生在方法调用中。假设类Derived继续了类Base，类C有一个方法，原型为m(Base)，在下面的代码中，编译器隐式的将Derived类的对象derived转化为Base类的对象。这种隐式的转换使m(Base)方法使用所有能转换成Base类的所有参数。

C c = new C();

Derived derived = new Derived();

c.m( derived );

　　并且，隐式的强制转换，可以避免类型转换的麻烦，减少编译错误。当然，编译器仍然会优先验证符合定义的对象类型。

　　重载的多态

　　重载答应用相同的运算符或方法，去表示截然不同的意义。‘+’在上面的程序中有两个意思：两个double型的数相加；两个串相连。另外还有整型相加，长整型，等等。这些运算符的重载，依靠于编译器根据上下文做出的选择。以往的编译器会把操作数隐式转换为完全符合操作符的类型。虽然Java明确支持重载，但不支持用户定义的操作符重载。

　　Java支持用户定义的函数重载。一个类中可以有相同名字的方法，这些方法可以有不同的意义。这些重载的方法中，必须满足参数数目不同，相同位置上的参数类型不同。这些不同可以帮助编译器区分不同版本的方法。

　　编译器以这种唯一表示的特征来表示不同的方法，比用名字表示更为有效。据此，所有的多态行为都能编译通过。

　　强制和重载的多态都被分类为特定的多态，因为这些多态都是在特定的意义上的。这些被划入多态的特性给程序员带来了很大的方便。强制多态排除了麻烦的类型和编译错误。重载多态像一块糖，答应程序员用相同的名字表示不同的方法，很方便。

　　参数的多态

　　参数多态答应把许多类型抽象成单一的表示。例如，List抽象类中，描述了一组具有同样特征的对象，提供了一个通用的模板。你可以通过指定一种类型以重用这个抽象类。这些参数可以是任何用户定义的类型，大量的用户可以使用这个抽象类，因此参数多态毫无疑问的成为最强大的多态。

　　乍一看，上面抽象类似乎是java.util.List的功能。然而，Java实际上并不支持真正的安全类型风格的参数多态，这也是java.util.List和java.util的其他集合类是用原始的java.lang.Object写的原因（参考我的文章"A PRimordial Interface?" 以获得更多细节）。Java的单根继续方式解决了部分问题，但没有发挥出参数多态的全部功能。Eric Allen有一篇出色的文章“Behold the Power of Parametric Polymorphism”，描述了Java通用类型的需求，并建议给Sun的Java规格需求#000014号文档"Add Generic Types to the Java Programming Language."（参考资源链接）

　　包含的多态

　　包含多态通过值的类型和集合的包含关系实现了多态的行为.在包括Java在内的众多面向对象语言中，包含关系是子类型的。所以，Java的包含多态是子类型的多态。

　　在早期，Java开发者们所提及的多态就特指子类型的多态。通过一种面向类型的观点，我们可以看到子类型多态的强大功能。以下的文章中我们将仔细探讨这个问题。为简明起见，下文中的多态均指包含多态。

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