# 7.2 深入理解
對于`Music.java`的困難性,可通過運行程序加以體會。輸出是`Wind.play()`。這當然是我們希望的輸出,但它看起來似乎并不愿按我們的希望行事。請觀察一下`tune()`方法:
```
public static void tune(Instrument i) {
// ...
i.play(Note.middleC);
}
```
它接收`Instrument`引用。所以在這種情況下,編譯器怎樣才能知道`Instrument`引用指向的是一個`Wind`,而不是一個`Brass`或`Stringed`呢?編譯器無從得知。為了深入了理解這個問題,我們有必要探討一下“綁定”這個主題。
## 7.2.1 方法調用的綁定
將一個方法調用同一個方法主體連接到一起就稱為“綁定”(Binding)。若在程序運行以前執行綁定(由編譯器和鏈接程序,如果有的話),就叫作“早期綁定”。大家以前或許從未聽說過這個術語,因為它在任何程序化語言里都是不可能的。C編譯器只有一種方法調用,那就是“早期綁定”。
上述程序最令人迷惑不解的地方全與早期綁定有關,因為在只有一個`Instrument`引用的前提下,編譯器不知道具體該調用哪個方法。
解決的方法就是“后期綁定”,它意味著綁定在運行期間進行,以對象的類型為基礎。后期綁定也叫作“動態綁定”或“運行期綁定”。若一種語言實現了后期綁定,同時必須提供一些機制,可在運行期間判斷對象的類型,并分別調用適當的方法。也就是說,編譯器此時依然不知道對象的類型,但方法調用機制能自己去調查,找到正確的方法主體。不同的語言對后期綁定的實現方法是有所區別的。但我們至少可以這樣認為:它們都要在對象中安插某些特殊類型的信息。
Java中綁定的所有方法都采用后期綁定技術,除非一個方法已被聲明成`final`。這意味著我們通常不必決定是否應進行后期綁定——它是自動發生的。
為什么要把一個方法聲明成`final`呢?正如上一章指出的那樣,它能防止其他人覆蓋那個方法。但也許更重要的一點是,它可有效地“關閉”動態綁定,或者告訴編譯器不需要進行動態綁定。這樣一來,編譯器就可為`final`方法調用生成效率更高的代碼。
## 7.2.2 產生正確的行為
知道Java里綁定的所有方法都通過后期綁定具有多態性以后,就可以相應地編寫自己的代碼,令其與基類溝通。此時,所有的派生類都保證能用相同的代碼正常地工作。或者換用另一種方法,我們可以“將一條消息發給一個對象,讓對象自行判斷要做什么事情。”
在面向對象的程序設計中,有一個經典的“形狀”例子。由于它很容易用可視化的形式表現出來,所以經常都用它說明問題。但很不幸的是,它可能誤導初學者認為OOP只是為圖形化編程設計的,這種認識當然是錯誤的。
形狀例子有一個基類,名為`Shape`;另外還有大量派生類型:`Circle`(圓形),`Square`(方形),`Triangle`(三角形)等等。大家之所以喜歡這個例子,因為很容易理解“圓屬于形狀的一種類型”等概念。下面這幅繼承圖向我們展示了它們的關系:

向上轉換可用下面這個語句簡單地表現出來:
```
Shape s = new Circle();
```
在這里,我們創建了`Circle`對象,并將結果引用立即賦給一個`Shape`。這表面看起來似乎屬于錯誤操作(將一種類型分配給另一個),但實際是完全可行的——因為按照繼承關系,`Circle`屬于`Shape`的一種。因此編譯器認可上述語句,不會向我們提示一條出錯消息。
當我們調用其中一個基類方法時(已在派生類里覆蓋):
```
s.draw();
```
同樣地,大家也許認為會調用`Shape`的`draw()`,因為這畢竟是一個`Shape`引用。那么編譯器怎樣才能知道該做其他任何事情呢?但此時實際調用的是`Circle.draw()`,因為后期綁定已經介入(多態性)。
下面這個例子從一個稍微不同的角度說明了問題:
```
//: Shapes.java
// Polymorphism in Java
class Shape {
void draw() {}
void erase() {}
}
class Circle extends Shape {
void draw() {
System.out.println("Circle.draw()");
}
void erase() {
System.out.println("Circle.erase()");
}
}
class Square extends Shape {
void draw() {
System.out.println("Square.draw()");
}
void erase() {
System.out.println("Square.erase()");
}
}
class Triangle extends Shape {
void draw() {
System.out.println("Triangle.draw()");
}
void erase() {
System.out.println("Triangle.erase()");
}
}
public class Shapes {
public static Shape randShape() {
switch((int)(Math.random() * 3)) {
default: // To quiet the compiler
case 0: return new Circle();
case 1: return new Square();
case 2: return new Triangle();
}
}
public static void main(String[] args) {
Shape[] s = new Shape[9];
// Fill up the array with shapes:
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i] = randShape();
// Make polymorphic method calls:
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i].draw();
}
} ///:~
```
針對從`Shape`派生出來的所有東西,`Shape`建立了一個通用接口——也就是說,所有(幾何)形狀都可以描繪和刪除。派生類覆蓋了這些定義,為每種特殊類型的幾何形狀都提供了獨一無二的行為。
在主類`Shapes`里,包含了一個`static`方法,名為`randShape()`。它的作用是在每次調用它時為某個隨機選擇的`Shape`對象生成一個引用。請注意向上轉換是在每個`return`語句里發生的。這個語句取得指向一個`Circle`,`Square`或者`Triangle`的引用,并將其作為返回類型`Shape`發給方法。所以無論什么時候調用這個方法,就絕對沒機會了解它的具體類型到底是什么,因為肯定會獲得一個單純的`Shape`引用。
`main()`包含了`Shape`引用的一個數組,其中的數據通過對`randShape()`的調用填入。在這個時候,我們知道自己擁有`Shape`,但不知除此之外任何具體的情況(編譯器同樣不知)。然而,當我們在這個數組里步進,并為每個元素調用`draw()`的時候,與各類型有關的正確行為會魔術般地發生,就象下面這個輸出示例展示的那樣:
```
Circle.draw()
Triangle.draw()
Circle.draw()
Circle.draw()
Circle.draw()
Square.draw()
Triangle.draw()
Square.draw()
Square.draw()
```
當然,由于幾何形狀是每次隨機選擇的,所以每次運行都可能有不同的結果。之所以要突出形狀的隨機選擇,是為了讓大家深刻體會這一點:為了在編譯的時候發出正確的調用,編譯器毋需獲得任何特殊的情報。對`draw()`的所有調用都是通過動態綁定進行的。
## 7.2.3 擴展性
現在,讓我們仍然返回樂器(I`nstrument`)示例。由于存在多態性,所以可根據自己的需要向系統里加入任意多的新類型,同時毋需更改`true()`方法。在一個設計良好的OOP程序中,我們的大多數或者所有方法都會遵從`tune()`的模型,而且只與基類接口通信。我們說這樣的程序具有“擴展性”,因為可以從通用的基類繼承新的數據類型,從而新添一些功能。如果是為了適應新類的要求,那么對基類接口進行操縱的方法根本不需要改變,對于樂器例子,假設我們在基類里加入更多的方法,以及一系列新類,那么會出現什么情況呢?下面是示意圖:

所有這些新類都能與老類——`tune()`默契地工作,毋需對`tune()`作任何調整。即使`tune()`位于一個獨立的文件里,而將新方法添加到`Instrument`的接口,`tune()`也能正確地工作,不需要重新編譯。下面這個程序是對上述示意圖的具體實現:
```
//: Music3.java
// An extensible program
import java.util.*;
class Instrument3 {
public void play() {
System.out.println("Instrument3.play()");
}
public String what() {
return "Instrument3";
}
public void adjust() {}
}
class Wind3 extends Instrument3 {
public void play() {
System.out.println("Wind3.play()");
}
public String what() { return "Wind3"; }
public void adjust() {}
}
class Percussion3 extends Instrument3 {
public void play() {
System.out.println("Percussion3.play()");
}
public String what() { return "Percussion3"; }
public void adjust() {}
}
class Stringed3 extends Instrument3 {
public void play() {
System.out.println("Stringed3.play()");
}
public String what() { return "Stringed3"; }
public void adjust() {}
}
class Brass3 extends Wind3 {
public void play() {
System.out.println("Brass3.play()");
}
public void adjust() {
System.out.println("Brass3.adjust()");
}
}
class Woodwind3 extends Wind3 {
public void play() {
System.out.println("Woodwind3.play()");
}
public String what() { return "Woodwind3"; }
}
public class Music3 {
// Doesn't care about type, so new types
// added to the system still work right:
static void tune(Instrument3 i) {
// ...
i.play();
}
static void tuneAll(Instrument3[] e) {
for(int i = 0; i < e.length; i++)
tune(e[i]);
}
public static void main(String[] args) {
Instrument3[] orchestra = new Instrument3[5];
int i = 0;
// Upcasting during addition to the array:
orchestra[i++] = new Wind3();
orchestra[i++] = new Percussion3();
orchestra[i++] = new Stringed3();
orchestra[i++] = new Brass3();
orchestra[i++] = new Woodwind3();
tuneAll(orchestra);
}
} ///:~
```
新方法是`what()`和`adjust()`。前者返回一個`String`引用,同時返回對那個類的說明;后者使我們能對每種樂器進行調整。
在`main()`中,當我們將某樣東西置入`Instrument3`數組時,就會自動向上轉換到`Instrument3`。
可以看到,在圍繞`tune()`方法的其他所有代碼都發生變化的同時,`tune()`方法卻絲毫不受它們的影響,依然故我地正常工作。這正是利用多態性希望達到的目標。我們對代碼進行修改后,不會對程序中不應受到影響的部分造成影響。此外,我們認為多態性是一種至關重要的技術,它允許程序員“將發生改變的東西同沒有發生改變的東西區分開”。
- Java 編程思想
- 寫在前面的話
- 引言
- 第1章 對象入門
- 1.1 抽象的進步
- 1.2 對象的接口
- 1.3 實現方案的隱藏
- 1.4 方案的重復使用
- 1.5 繼承:重新使用接口
- 1.6 多態對象的互換使用
- 1.7 對象的創建和存在時間
- 1.8 異常控制:解決錯誤
- 1.9 多線程
- 1.10 永久性
- 1.11 Java和因特網
- 1.12 分析和設計
- 1.13 Java還是C++
- 第2章 一切都是對象
- 2.1 用引用操縱對象
- 2.2 所有對象都必須創建
- 2.3 絕對不要清除對象
- 2.4 新建數據類型:類
- 2.5 方法、參數和返回值
- 2.6 構建Java程序
- 2.7 我們的第一個Java程序
- 2.8 注釋和嵌入文檔
- 2.9 編碼樣式
- 2.10 總結
- 2.11 練習
- 第3章 控制程序流程
- 3.1 使用Java運算符
- 3.2 執行控制
- 3.3 總結
- 3.4 練習
- 第4章 初始化和清除
- 4.1 用構造器自動初始化
- 4.2 方法重載
- 4.3 清除:收尾和垃圾收集
- 4.4 成員初始化
- 4.5 數組初始化
- 4.6 總結
- 4.7 練習
- 第5章 隱藏實現過程
- 5.1 包:庫單元
- 5.2 Java訪問指示符
- 5.3 接口與實現
- 5.4 類訪問
- 5.5 總結
- 5.6 練習
- 第6章 類復用
- 6.1 組合的語法
- 6.2 繼承的語法
- 6.3 組合與繼承的結合
- 6.4 到底選擇組合還是繼承
- 6.5 protected
- 6.6 累積開發
- 6.7 向上轉換
- 6.8 final關鍵字
- 6.9 初始化和類裝載
- 6.10 總結
- 6.11 練習
- 第7章 多態性
- 7.1 向上轉換
- 7.2 深入理解
- 7.3 覆蓋與重載
- 7.4 抽象類和方法
- 7.5 接口
- 7.6 內部類
- 7.7 構造器和多態性
- 7.8 通過繼承進行設計
- 7.9 總結
- 7.10 練習
- 第8章 對象的容納
- 8.1 數組
- 8.2 集合
- 8.3 枚舉器(迭代器)
- 8.4 集合的類型
- 8.5 排序
- 8.6 通用集合庫
- 8.7 新集合
- 8.8 總結
- 8.9 練習
- 第9章 異常差錯控制
- 9.1 基本異常
- 9.2 異常的捕獲
- 9.3 標準Java異常
- 9.4 創建自己的異常
- 9.5 異常的限制
- 9.6 用finally清除
- 9.7 構造器
- 9.8 異常匹配
- 9.9 總結
- 9.10 練習
- 第10章 Java IO系統
- 10.1 輸入和輸出
- 10.2 增添屬性和有用的接口
- 10.3 本身的缺陷:RandomAccessFile
- 10.4 File類
- 10.5 IO流的典型應用
- 10.6 StreamTokenizer
- 10.7 Java 1.1的IO流
- 10.8 壓縮
- 10.9 對象序列化
- 10.10 總結
- 10.11 練習
- 第11章 運行期類型識別
- 11.1 對RTTI的需要
- 11.2 RTTI語法
- 11.3 反射:運行期類信息
- 11.4 總結
- 11.5 練習
- 第12章 傳遞和返回對象
- 12.1 傳遞引用
- 12.2 制作本地副本
- 12.3 克隆的控制
- 12.4 只讀類
- 12.5 總結
- 12.6 練習
- 第13章 創建窗口和程序片
- 13.1 為何要用AWT?
- 13.2 基本程序片
- 13.3 制作按鈕
- 13.4 捕獲事件
- 13.5 文本字段
- 13.6 文本區域
- 13.7 標簽
- 13.8 復選框
- 13.9 單選鈕
- 13.10 下拉列表
- 13.11 列表框
- 13.12 布局的控制
- 13.13 action的替代品
- 13.14 程序片的局限
- 13.15 視窗化應用
- 13.16 新型AWT
- 13.17 Java 1.1用戶接口API
- 13.18 可視編程和Beans
- 13.19 Swing入門
- 13.20 總結
- 13.21 練習
- 第14章 多線程
- 14.1 反應靈敏的用戶界面
- 14.2 共享有限的資源
- 14.3 堵塞
- 14.4 優先級
- 14.5 回顧runnable
- 14.6 總結
- 14.7 練習
- 第15章 網絡編程
- 15.1 機器的標識
- 15.2 套接字
- 15.3 服務多個客戶
- 15.4 數據報
- 15.5 一個Web應用
- 15.6 Java與CGI的溝通
- 15.7 用JDBC連接數據庫
- 15.8 遠程方法
- 15.9 總結
- 15.10 練習
- 第16章 設計模式
- 16.1 模式的概念
- 16.2 觀察器模式
- 16.3 模擬垃圾回收站
- 16.4 改進設計
- 16.5 抽象的應用
- 16.6 多重分發
- 16.7 訪問器模式
- 16.8 RTTI真的有害嗎
- 16.9 總結
- 16.10 練習
- 第17章 項目
- 17.1 文字處理
- 17.2 方法查找工具
- 17.3 復雜性理論
- 17.4 總結
- 17.5 練習
- 附錄A 使用非JAVA代碼
- 附錄B 對比C++和Java
- 附錄C Java編程規則
- 附錄D 性能
- 附錄E 關于垃圾收集的一些話
- 附錄F 推薦讀物