詳解Java多態對象的類型轉換與動態綁定_java

Java多態對象的類型轉換
這裡所說的物件類型轉換，是指存在繼承關係的對象，不是任意類型的對象。當對不存在繼承關係的對象進行強制類型轉換時，java 運行時將拋出 java.lang.ClassCastException 異常。

在繼承鏈中，我們將子類向父類轉換稱為“向上轉型”，將父類向子類轉換稱為“向下轉型”。

很多時候，我們會將變數定義為父類的類型，卻引用子類的對象，這個過程就是向上轉型。程式運行時通過動態綁定來實現對子類方法的調用，也就是多態性。

然而有些時候為了完成某些父類沒有的功能，我們需要將向上轉型後的子類對象再轉成子類，調用子類的方法，這就是向下轉型。

注意：不能直接將父類的對象強制轉換為子類類型，只能將向上轉型後的子類對象再次轉換為子類類型。也就是說，子類對象必須向上轉型後，才能再向下轉型。請看下面的代碼：

public class Demo {  public static void main(String args[]) {    SuperClass superObj = new SuperClass();    SonClass sonObj = new SonClass();    // 下面的代碼運行時會拋出異常，不能將父類對象直接轉換為子類類型    // SonClass sonObj2 = (SonClass)superObj;    // 先向上轉型，再向下轉型    superObj = sonObj;    SonClass sonObj1 = (SonClass)superObj;  }}class SuperClass{ }class SonClass extends SuperClass{ } 

將第7行的注釋去掉，運行時會拋出異常，但是編譯可以通過。

因為向下轉型存在風險，所以在接收到父類的一個引用時，請務必使用 instanceof 運算子來判斷該對象是否是你所要的子類，請看下面的代碼：

public class Demo {  public static void main(String args[]) {    SuperClass superObj = new SuperClass();    SonClass sonObj = new SonClass();    // superObj 不是 SonClass 類的執行個體    if(superObj instanceof SonClass){      SonClass sonObj1 = (SonClass)superObj;    }else{      System.out.println("①不能轉換");    }    superObj = sonObj;    // superObj 是 SonClass 類的執行個體    if(superObj instanceof SonClass){      SonClass sonObj2 = (SonClass)superObj;    }else{      System.out.println("②不能轉換");    }  }}class SuperClass{ }class SonClass extends SuperClass{ }

運行結果：

①不能轉換

總結：對象的類型轉換在程式運行時檢查，向上轉型會自動進行，向下轉型的對象必須是當前參考型別的子類。

Java多態和動態綁定
在Java中，父類的變數可以引用父類的執行個體，也可以引用子類的執行個體。

請讀者先看一段代碼：

public class Demo {  public static void main(String[] args){    Animal obj = new Animal();    obj.cry();    obj = new Cat();    obj.cry();    obj = new Dog();    obj.cry();  }}class Animal{  // 動物的叫聲  public void cry(){    System.out.println("不知道怎麼叫");  }  }class Cat extends Animal{  // 貓的叫聲  public void cry(){    System.out.println("喵喵~");  }}class Dog extends Animal{  // 狗的叫聲  public void cry(){    System.out.println("汪汪~");  }}

運行結果：

不知道怎麼叫喵喵~汪汪~

上面的代碼，定義了三個類，分別是 Animal、Cat 和 Dog，Cat 和 Dog 類都繼承自 Animal 類。obj 變數的類型為 Animal，它既可以指向 Animal 類的執行個體，也可以指向 Cat 和 Dog 類的執行個體，這是正確的。也就是說，父類的變數可以引用父類的執行個體，也可以引用子類的執行個體。注意反過來是錯誤的，因為所有的貓都是動物，但不是所有的動物都是貓。

可以看出，obj 既可以是人類，也可以是貓、狗，它有不同的表現形式，這就被稱為多態。多態是指一個事物有不同的表現形式或形態。

再比如“人類”，也有很多不同的表達或實現，TA 可以是司機、教師、醫生等，你憎恨自己的時候會說“下輩子重新做人”，那麼你下輩子成為司機、教師、醫生都可以，我們就說“人類”具備了多態性。

多態存在的三個必要條件：要有繼承、要有重寫、父類變數引用子類對象。

當使用多態方式調用方法時：
首先檢查父類中是否有該方法，如果沒有，則編譯錯誤；如果有，則檢查子類是否覆蓋了該方法。
如果子類覆蓋了該方法，就調用子類的方法，否則調用父類方法。

從上面的例子可以看出，多態的一個好處是：當子類比較多時，也不需要定義多個變數，可以只定義一個父類類型的變數來引用不同子類的執行個體。請再看下面的一個例子：

public class Demo {  public static void main(String[] args){    // 藉助多態，主人可以給很多動物餵食    Master ma = new Master();    ma.feed(new Animal(), new Food());    ma.feed(new Cat(), new Fish());    ma.feed(new Dog(), new Bone());  }}// Animal類及其子類class Animal{  public void eat(Food f){    System.out.println("我是一個小動物，正在吃" + f.getFood());  }}class Cat extends Animal{  public void eat(Food f){    System.out.println("我是一隻小貓咪，正在吃" + f.getFood());  }}class Dog extends Animal{  public void eat(Food f){    System.out.println("我是一隻狗狗，正在吃" + f.getFood());  }}// Food及其子類class Food{  public String getFood(){    return "事物";  }}class Fish extends Food{  public String getFood(){    return "魚";  }}class Bone extends Food{  public String getFood(){    return "骨頭";  }}// Master類class Master{  public void feed(Animal an, Food f){    an.eat(f);  }}

運行結果：

我是一個小動物，正在吃事物我是一隻小貓咪，正在吃魚我是一隻狗狗，正在吃骨頭

Master 類的 feed 方法有兩個參數，分別是 Animal 類型和 Food 類型，因為是父類，所以可以將子類的執行個體傳遞給它，這樣 Master 類就不需要多個方法來給不同的動物餵食。
動態綁定

為了理解多態的本質，下面講一下Java調用方法的詳細流程。

1) 編譯器查看對象的宣告類型和方法名。

假設調用 obj.func(param)，obj 為 Cat 類的對象。需要注意的是，有可能存在多個名字為func但參數簽名不一樣的方法。例如，可能存在方法 func(int) 和 func(String)。編譯器將會一一列舉所有 Cat 類中名為func的方法和其父類 Animal 中訪問屬性為 public 且名為func的方法。

這樣，編譯器就獲得了所有可能被調用的候選方法列表。

2) 接下來，編澤器將檢查調用方法時提供的參數簽名。

如果在所有名為func的方法中存在一個與提供的參數簽名完全符合的方法，那麼就選擇這個方法。這個過程被稱為重載解析(overloading resolution)。例如，如果調用 func("hello")，編譯器會選擇 func(String)，而不是 func(int)。由於自動類型轉換的存在，例如 int 可以轉換為 double，如果沒有找到與調用方法參數簽名相同的方法，就進行類型轉換後再繼續尋找，如果最終沒有匹配的類型或者有多個方法與之匹配，那麼編譯錯誤。

這樣，編譯器就獲得了需要調用的方法名字和參數簽名。

3) 如果方法的修飾符是private、static、final（static和final將在後續講解），或者是構造方法，那麼編譯器將可以準確地知道應該調用哪個方法，我們將這種調用方式 稱為靜態繫結(static binding)。

與此對應的是，調用的方法依賴於對象的實際類型， 並在運行時實現動態綁。例如調用 func("hello")，編澤器將採用動態綁定的方式產生一條調用 func(String) 的指令。

4)當程式運行，並且釆用動態綁定調用方法時，JVM一定會調用與 obj 所引用對象的實際類型最合適的那個類的方法。我們已經假設 obj 的實際類型是 Cat，它是 Animal 的子類，如果 Cat 中定義了 func(String)，就調用它，否則將在 Animal 類及其父類中尋找。

每次調用方法都要進行搜尋，時間開銷相當大，因此，JVM預先為每個類建立了一個方法表(method lable)，其中列出了所有方法的名稱、參數簽名和所屬的類。這樣一來，在真正調用方法的時候，虛擬機器僅尋找這個表就行了。在上面的例子中，JVM 搜尋 Cat 類的方法表，以便尋找與調用 func("hello") 相匹配的方法。這個方法既有可能是 Cat.func(String)，也有可能是 Animal.func(String)。注意，如果調用super.func("hello")，編譯器將對父類的方法表迸行搜尋。

假設 Animal 類包含cry()、getName()、getAge() 三個方法，那麼它的方法表如下：
cry() -> Animal.cry()
getName() -> Animal.getName()
getAge() -> Animal.getAge()

實際上，Animal 也有預設的父類 Object（後續會講解），會繼承 Object 的方法，所以上面列舉的方法並不完整。

假設 Cat 類覆蓋了 Animal 類中的 cry() 方法，並且新增了一個方法 climbTree()，那麼它的參數列表為：
cry() -> Cat.cry()
getName() -> Animal.getName()
getAge() -> Animal.getAge()
climbTree() -> Cat.climbTree()

在啟動並執行時候，調用 obj.cry() 方法的過程如下：
JVM 首先訪問 obj 的實際類型的方法表，可能是 Animal 類的方法表，也可能是 Cat 類及其子類的方法表。
JVM 在方法表中搜尋與 cry() 匹配的方法，找到後，就知道它屬於哪個類了。
JVM 調用該方法。