7.2 深入理解
7.2 深入理解
对于 Music.java 的困难性,可通过运行程序加以体会。输出是 Wind.play()。这当然是我们希望的输出,但它看起来似乎并不愿按我们的希望行事。请观察一下 tune()方法:
public static void tune(Instrument i) {
// ...
i.play(Note.middleC);
}
它接收 Instrument 指针。所以在这种情况下,编译器怎样才能知道 Instrument 指针指向的是一个 Wind,而不是一个 Brass 或 Stringed 呢?编译器无从得知。为了深入了理解这个问题,我们有必要探讨一下“绑定”这个主题。
7.2.1 方法调用的绑定
将一个方法调用同一个方法主体连接到一起就称为“绑定”(Binding)。若在程序运行以前执行绑定(由编译器和链接程序,如果有的话),就叫作“早期绑定”。大家以前或许从未听说过这个术语,因为它在任何程序化语言里都是不可能的。C 编译器只有一种方法调用,那就是“早期绑定”。
上述程序最令人迷惑不解的地方全与早期绑定有关,因为在只有一个 Instrument 指针的前提下,编译器不知道具体该调用哪个方法。
解决的方法就是“后期绑定”,它意味着绑定在运行期间进行,以对象的类型为基础。后期绑定也叫作“动态绑定”或“运行期绑定”。若一种语言实现了后期绑定,同时必须提供一些机制,可在运行期间判断对象的类型,并分别调用适当的方法。也就是说,编译器此时依然不知道对象的类型,但方法调用机制能自己去调查,找到正确的方法主体。不同的语言对后期绑定的实现方法是有所区别的。但我们至少可以这样认为:它们都要在对象中安插某些特殊类型的信息。
Java 中绑定的所有方法都采用后期绑定技术,除非一个方法已被声明成 final。这意味着我们通常不必决定是否应进行后期绑定——它是自动发生的。
为什么要把一个方法声明成 final 呢?正如上一章指出的那样,它能防止其他人覆盖那个方法。但也许更重要的一点是,它可有效地“关闭”动态绑定,或者告诉编译器不需要进行动态绑定。这样一来,编译器就可为 final 方法调用生成效率更高的代码。
7.2.2 产生正确的行为
知道 Java 里绑定的所有方法都通过后期绑定具有多态性以后,就可以相应地编写自己的代码,令其与基础类沟通。此时,所有的衍生类都保证能用相同的代码正常地工作。或者换用另一种方法,我们可以“将一条消息发给一个对象,让对象自行判断要做什么事情。”
在面向对象的程序设计中,有一个经典的“形状”例子。由于它很容易用可视化的形式表现出来,所以经常都用它说明问题。但很不幸的是,它可能误导初学者认为 OOP 只是为图形化编程设计的,这种认识当然是错误的。
形状例子有一个基础类,名为 Shape;另外还有大量衍生类型:Circle(圆形),Square(方形),Triangle(三角形)等等。大家之所以喜欢这个例子,因为很容易理解“圆属于形状的一种类型”等概念。下面这幅继承图向我们展示了它们的关系:
上溯造型可用下面这个语句简单地表现出来:
Shape s = new Circle();
在这里,我们创建了 Circle 对象,并将结果指针立即赋给一个 Shape。这表面看起来似乎属于错误操作(将一种类型分配给另一个),但实际是完全可行的——因为按照继承关系,Circle 属于 Shape 的一种。因此编译器认可上述语句,不会向我们提示一条出错消息。 当我们调用其中一个基础类方法时(已在衍生类里覆盖):
s.draw();
同样地,大家也许认为会调用 Shape 的 draw(),因为这毕竟是一个 Shape 指针。那么编译器怎样才能知道该做其他任何事情呢?但此时实际调用的是 Circle.draw(),因为后期绑定已经介入(多态性)。 下面这个例子从一个稍微不同的角度说明了问题:
//: 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();
}
} ///:~
针对从 Shape 衍生出来的所有东西,Shape 建立了一个通用接口——也就是说,所有(几何)形状都可以描绘和删除。衍生类覆盖了这些定义,为每种特殊类型的几何形状都提供了独一无二的行为。
在主类 Shapes 里,包含了一个 static 方法,名为 randShape()。它的作用是在每次调用它时为某个随机选择的 Shape 对象生成一个指针。请注意上溯造型是在每个 return 语句里发生的。这个语句取得指向一个 Circle,Square 或者 Triangle 的指针,并将其作为返回类型 Shape 发给方法。所以无论什么时候调用这个方法,就绝对没机会了解它的具体类型到底是什么,因为肯定会获得一个单纯的 Shape 指针。
main()包含了 Shape 指针的一个数组,其中的数据通过对 randShape()的调用填入。在这个时候,我们知道自己拥有 Shape,但不知除此之外任何具体的情况(编译器同样不知)。然而,当我们在这个数组里步进,并为每个元素调用 draw()的时候,与各类型有关的正确行为会魔术般地发生,就象下面这个输出示例展示的那样:
Circle.draw()
Triangle.draw()
Circle.draw()
Circle.draw()
Circle.draw()
Square.draw()
Triangle.draw()
Square.draw()
Square.draw()
当然,由于几何形状是每次随机选择的,所以每次运行都可能有不同的结果。之所以要突出形状的随机选择,是为了让大家深刻体会这一点:为了在编译的时候发出正确的调用,编译器毋需获得任何特殊的情报。对 draw()的所有调用都是通过动态绑定进行的。
7.2.3 扩展性
现在,让我们仍然返回乐器(Instrument)示例。由于存在多态性,所以可根据自己的需要向系统里加入任意多的新类型,同时毋需更改 tune()方法。在一个设计良好的 OOP 程序中,我们的大多数或者所有方法都会遵从 tune()的模型,而且只与基础类接口通信。我们说这样的程序具有“扩展性”,因为可以从通用的基础类继承新的数据类型,从而新添一些功能。如果是为了适应新类的要求,那么对基础类接口进行操纵的方法根本不需要改变, 对于乐器例子,假设我们在基础类里加入更多的方法,以及一系列新类,那么会出现什么情况呢?下面是示意图:
所有这些新类都能与老类——tune()默契地工作,毋需对 tune()作任何调整。即使 tune()位于一个独立的文件里,而将新方法添加到 Instrument 的接口,tune()也能正确地工作,不需要重新编译。下面这个程序是对上述示意图的具体实现:
//: 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()。前者返回一个 String 指针,同时返回对那个类的说明;后者使我们能对每种乐器进行调整。
在 main()中,当我们将某样东西置入 Instrument3 数组时,就会自动上溯造型到 Instrument3。
可以看到,在围绕 tune()方法的其他所有代码都发生变化的同时,tune()方法却丝毫不受它们的影响,依然故我地正常工作。这正是利用多态性希望达到的目标。我们对代码进行修改后,不会对程序中不应受到影响的部分造成影响。此外,我们认为多态性是一种至关重要的技术,它允许程序员“将发生改变的东西同没有发生改变的东西区分开”。