電腦程式的思維邏輯 (17) - 繼承實現的基本原理

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第15節我們介紹了繼承和多態的基本概念，而上節我們進一步介紹了繼承的一些細節，本節我們通過一個例子，來介紹繼承實現的基本原理。需要說明的是，本節主要從概念上來介紹原理，實際實現細節可能與此不同。

例子

這是基類代碼：

public class Base {    public static int s;    private int a;        static {        System.out.println("基類靜態代碼塊, s: "+s);        s = 1;    }        {        System.out.println("基類執行個體代碼塊, a: "+a);        a = 1;    }        public Base(){        System.out.println("基類構造方法, a: "+a);        a = 2;    }        protected void step(){        System.out.println("base s: " + s +", a: "+a);    }        public void action(){        System.out.println("start");        step();        System.out.println("end");    }}

Base包括一個靜態變數s，一個執行個體變數a，一段靜態初始化代碼塊，一段執行個體初始化代碼塊，一個構造方法，兩個方法step和action。

這是子類代碼：

public class Child extends Base {    public static int s;    private int a;        static {        System.out.println("子類靜態代碼塊, s: "+s);        s = 10;    }        {        System.out.println("子類執行個體代碼塊, a: "+a);        a = 10;    }        public Child(){        System.out.println("子類構造方法, a: "+a);        a = 20;    }        protected void step(){        System.out.println("child s: " + s +", a: "+a);    }}

Child繼承了Base，也定義了和基類同名的靜態變數s和執行個體變數a，靜態初始化代碼塊，執行個體初始化代碼塊，構造方法，重寫了方法step。

這是使用的代碼：

public static void main(String[] args) {    System.out.println("---- new Child()");    Child c = new Child();        System.out.println("\n---- c.action()");    c.action();        Base b = c;    System.out.println("\n---- b.action()");    b.action();            System.out.println("\n---- b.s: " + b.s);     System.out.println("\n---- c.s: " + c.s); }

建立了Child類型的對象，賦值給了Child類型的引用變數c，通過c調用action方法，又賦值給了Base類型的引用變數b，通過b也調用了action，最後通過b和c訪問靜態變數s並輸出。這是螢幕的輸出結果：

---- new Child()基類靜態代碼塊, s: 0子類靜態代碼塊, s: 0基類執行個體代碼塊, a: 0基類構造方法, a: 1子類執行個體代碼塊, a: 0子類構造方法, a: 10---- c.action()startchild s: 10, a: 20end---- b.action()startchild s: 10, a: 20end---- b.s: 1---- c.s: 10

下面我們來解釋一下背後都發生了一些什麼事情，從類的載入開始。

類的載入

在Java中，所謂類的載入是指將類的相關資訊載入到記憶體。在Java中，類是動態載入的，當第一次使用這個類的時候才會載入，載入一個類時，會查看其父類是否已載入，如果沒有，則會載入其父類。

一個類的資訊主要包括以下部分：

• 類變數（靜態變數）
• 類初始化代碼
• 類方法（靜態方法）
• 執行個體變數
• 執行個體初始化代碼
• 執行個體方法
• 父類資訊引用 

類初始化程式碼封裝括：

1. 定義靜態變數時的指派陳述式
2. 靜態初始化代碼塊

執行個體初始化程式碼封裝括：

1. 定義執行個體變數時的指派陳述式
2. 執行個體初始化代碼塊
3. 構造方法 

類載入過程包括：

1. 分配記憶體儲存類的資訊
2. 給類變數賦預設值
3. 載入父類
4. 設定父子關係
5. 執行類初始化代碼 

需要說明的是，關於類初始化代碼，是先執行父類的，再執行子類的，不過，父類執行時，子類靜態變數的值也是有的，是預設值。對於預設值，我們之前說過，數字型變數都是0，boolean是false，char是‘\u0000‘，引用型變數是null。

之前我們說過，記憶體分為棧和堆，棧存放函數的局部變數，而堆存放動態分配的對象，還有一個記憶體區，存放類的資訊，這個區在Java中稱之為方法區。

載入後，對於每一個類，在Java方法區就有了一份這個類的資訊，以我們的例子來說，有三份類資訊，分別是Child，Base，Object，記憶體如下：

我們用class_init()來表示類初始化代碼，用instance_init()表示執行個體初始化代碼，執行個體初始化程式碼封裝括了執行個體初始化代碼塊和構造方法。例子中只有一個構造方法，實際中可能有多個執行個體初始化方法。

本例中，類的載入大概就是在記憶體中形成了類似上面的布局，然後分別執行了Base和Child的類初始化代碼。接下來，我們看對象建立的過程。

建立對象

在類載入之後，new Child()就是建立Child對象，建立對象過程包括：

1. 分配記憶體
2. 對所有執行個體變數賦預設值
3. 執行執行個體初始化代碼 

分配的記憶體包括本類和所有父類的執行個體變數，但不包括任何靜態變數。執行個體初始化代碼的執行從父類開始，先執行父類的，再執行子類的。但在任何類執行初始化代碼之前，所有執行個體變數都已設定完預設值。

每個對象除了儲存類的執行個體變數之外，還儲存著實際類資訊的引用。

Child c = new Child();會將新建立的Child對象引用賦給變數c，而Base b = c;會讓b也引用這個Child對象。建立和賦值後，記憶體布局大概如所示：

引用型變數c和b分配在棧中，它們指向相同的堆中的Child對象，ChildObject Storage Service著方法區中Child類型的地址，還有Base中的執行個體變數a和Child中的執行個體變數a。建立了對象，接下來，來看方法調用的過程。

方法調用

我們先來看c.action();這句代碼的執行過程是：

1. 查看c的物件類型，找到Child類型，在Child類型中找action方法，發現沒有，到父類中尋找
2. 在父類Base中找到了方法action，開始執行action方法
3. action先輸出了start，然後發現需要調用step()方法，就從Child類型開始尋找step方法
4. 在Child類型中找到了step()方法，執行Child中的step()方法，執行完後返回action方法
5. 繼續執行action方法，輸出end

尋找要執行的執行個體方法的時候，是從對象的實際類型資訊開始尋找的，找不到的時候，再尋找父類類型資訊。

我們來看b.action();，這句代碼的輸出和c.action是一樣的，這稱之為動態綁定，而動態綁定實現的機制，就是根據對象的實際類型尋找要執行的方法，子類型中找不到的時候再尋找父類。這裡，因為b和c指向相同的對象，所以執行結果是一樣的。

如果繼承的層次比較深，要調用的方法位於比較上層的父類，則調用的效率是比較低的，因為每次調用都要進行很多次尋找。大多數系統使用一種稱為虛方法表的方法來最佳化調用的效率。

虛方法表

所謂虛方法表，就是在類載入的時候，為每個類建立一個表，這個表包括該類的對象所有動態綁定的方法及其地址，包括父類的方法，但一個方法只有一條記錄，子類重寫了父類方法後只會保留子類的。

對於本例來說，Child和Base的虛方法表如下所示：

對Child類型來說，action方法指向Base中的代碼，toString方法指向Object中的代碼，而step()指向本類中的代碼。

這個表在類載入的時候產生，當通過對象動態Binder 方法的時候，只需要尋找這個表就可以了，而不需要挨個尋找每個父類。

接下來，我們看對變數的訪問。

變數訪問

對變數的訪問是靜態繫結的，無論是類變數還是執行個體變數。代碼中示範的是類變數：b.s和c.s，通過對象訪問類變數，系統會轉換為直接存取類變數Base.s和Child.s。

例子中的執行個體變數都是private的，不能直接存取，如果是public的，則b.a訪問的是對象中Base類定義的執行個體變數a，而c.a訪問的是對象中Child類定義的執行個體變數a。

小結

本節，我們通過一個例子，介紹了類的載入、對象建立、方法調用以及變數訪問的內部過程。現在，我們應該對繼承的實現有了一個比較清楚的理解。

之前我們提到過，繼承其實是把雙刃劍，為什麼這麼說呢？讓我們下節來探討。

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