【Java 学习】面向程序的三大特性：封装、继承、多态

引言

1. 封装
- 1.1 什么是封装呢？
- 1.2 访问限定符
- 1.3 使用封装
2. 继承
- 2.1 为什么要有继承？
- 2.2 继承的概念
- 2.3 继承的语法
- 2.4 访问父类成员
- - 2.4.1 子类中访问父类成员的变量
  - 2.4.2 访问父类的成员方法
- 2.5 super关键字
- 2.6 子类的构造方法
3. 多态
- 3.1 多态的概念
- 3.2 多太的实现
- 3.3 重写

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1. 封装

1.1 什么是封装呢？

我们生活中使用的很多电子产品都是封装好的，有的部分让我们看到，有的部分不让我们看到。比如机械手表，它的指针指向的时间让我们看到，而它的工作原理用表盘遮挡起来不让我们看，这也是一种合理的设计，我们只需要看时机就行了。
在这里插入图片描述

其Java的实封装也是这样设计的，把类封装起来，有些成员变量和成员方法让我们看到和使用，有的成员变量和成员方法不让我们使用。

面向对象程序三大特性：封装、继承、多态。而类和对象阶段，主要研究的就是封装特性。何为封装呢？简单来说就是套壳屏蔽细节。

封装：将成员变量和成员方法进行有机结合，隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口来和对象进行、交互。

实现这些功能就需要访问限定符

1.2 访问限定符

	范围	private	default	protected	public
1	同一包中的同一类	✅	✅	✅	✅
2	同一包中的不同类		✅	✅	✅
3	不同包中的子类			✅	✅
4	不同包中的非子类				✅

说明：
public：只看单词的意思就可以明白，是公共的，谁都可以看到和使用。
protected：主要是用在继承中，子类可以使用。
default: 对于自己家族中(同一个包中)不是什么秘密，对于其他人来说就是隐私了。什么都不写时的默认权限
private：单词的意思是私密的，只有自己使用，其他人不能使用

访问权限除了可以限定类中成员的可见性，也可以控制类的可见性

1.3 使用封装

在cn.nyist.watch包中创建一个手表类Watch：

package cn.nyist.watch;

public class Watch {
    private String machine; // 机械手表的动力来源
    public String time; // 时间
    String brand; // 品牌，default

    // 构造器
    public Watch(String machine,String time, String brand){
        this.machine = machine;
        this.time = time;
        this.brand = brand;
    }

    // 手表的功能 看时间
    public void See_time(){
        System.out.println("时间");
    }

    //调试零件
    private void debugging(){
        System.out.println("调试零件");
    }
}

在Watch类中使用main函数，相当于是创造表的人：
可以任意查看和使用

	// 程序的入口，在Watch类中
    public static void main(String[] args){

        // 在类中创建一个手表
        // 此场景相当于创造表的人
        Watch w = new Watch("机械","12:00","劳力士");

        //开始使用手表

        //查看表的机械部件
        System.out.println(w.machine);
        // 查看时间
        System.out.println(w.time);
        //查看品牌
        System.out.println(w.brand);
        w.See_time();
        w.debugging();
    }

在cn.nyist.watch包中创建一个Main类，作为相当于买手表的人：
不可以访问Watch类定义的私有成员和私有方法

package cn.nyist.watch;

public class Buy {
    // 程序的入口，在类中
    public static void main(String[] args){

        // 此场景相当于手表的买者即拥有者
        Watch w = new Watch("机械","12:00","劳力士");

        //开始使用手表

        //查看表的机械部件
        //System.out.println(w.machine); 不可以查看private属性
        // 查看时间
        System.out.println(w.time); // time是public属性
        //查看品牌
        System.out.println(w.brand); // brand 是default属性
        w.See_time(); // See_time是public属性
        //w.debugging(); // 不能调用private方法
    }
}

在其他包中的非子类，相当于一个陌生人去看你的表：
只能访问public属性的成员变量和成员方法

public class People {
    // 程序的入口
    public static void main(String[] args){

        // 此场景相当于一个陌生人去看你的表
        Watch w = new Watch("机械","12:00","劳力士");

        //查看表的机械部件
        //System.out.println(w.machine); 不可以查看private属性
        // 查看时间
        System.out.println(w.time); // time是public属性
        //查看品牌
        //System.out.println(w.brand); // 不可以看default属性
        w.See_time(); // See_time是public属性
        //w.debugging(); // 不能调用private方法
    }
}

2. 继承

2.1 为什么要有继承？

Java中的程序都是类与类进行交互，如果多个类中有很多一样的成员方法或成员变量就会出现代码冗余的现象，比如：
在cn.nyist.animal包中创建一个Dog类：

package cn.nyist.animal;

public class Dog{
    public String name;
    public String color;
    protected int age;

    // 构造器
    public Dog(String name,String color, int age){
        this.name = name;
        this.color = color;
        this.age = age;
    }

    public void eat(){
        System.out.println("吃饭~");
    }

    public void sleep(){
        System.out.println("睡觉~");
    }

    // 叫
    public void bark(){
        System.out.println("汪汪~");
    }

}

在cn.nyist.animal包中创建一个Cat类：

package cn.nyist.animal;

public class Cat{
    public String name;
    public String color;
    protected int age;

    //构造器
    public Cat(String name,String color, int age){
        this.name = name;
        this.color = color;
        this.age = age;
    }

    public void eat(){
        System.out.println("吃饭~");
    }

    public void sleep(){
        System.out.println("睡觉~");
    }

    //叫
    public void mm() {
        System.out.println("喵喵~");
    }
}

在这里插入图片描述

这两个类是不是除了bar()函数，其余的内容都是一样，这就出现了代码冗余，我们怎么解决呢？

面向对象思想中提出了继承的概念，专门用来进行共性抽取，实现代码复用。

2.2 继承的概念

继承(inheritance)机制：是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段，它允许程序员在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加新功能，这样产生新的类，称派生类（子类）。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构，体现了由简单到复杂的认知过程。继承主要解决的问题是：共性的抽取，实现代码复用。

例如：狗和猫都是动物，那么我们就可以将共性的内容进行抽取，然后采用继承的思想来达到共用。
在这里插入图片描述
上述图示中，Dog和Cat都继承了Animal类，其中：Animal类称为父类/基类或超类，Dog和Cat可以称为Animal的子类/派生类，继承之后，子类可以复用父类中成员，子类在实现时只需关心自己新增加的成员即可。从继承概念中可以看出继承最大的作用就是：实现代码复用，还有就是来实现多态。

2.3 继承的语法

在Java中如果要表示类之间的继承关系，需要借助extends关键字，语法如下：

修饰符 class 子类名 extends 父类名 {
 // ...  
}

对Dog和Cat函数的重新实现：

错误示例：

在cn.nyist.animal包中创建一个Dog和Cat的父类Animal类：

package cn.nyist.animal;

// 基类（父类）
public class Animal{
    public String name;
    public String color;
    protected int age;

    //构造器
    public Animal(String name,String color, int age){
        this.name = name;
        this.color = color;
        this.age = age;
    }

    public void eat(){
        System.out.println(name + "吃饭~");
    }

    public void sleep(){
        System.out.println(name + "睡觉~");
    }
}

在cn.nyist.animal包中创建一个Dog，Dog继承Animal

package cn.nyist.animal;

public class Dog extends Animal{


    // 只需要再添加一个bark()方法
    public void bark(){
        System.out.println("汪汪~");
    }

}

当写完上述两步的时候就运行会发生报错，这是为什么呢？不是已经按要求写了吗？

因为 Dog 类的没有显示的创建构造器，当创建Dog类对象的时候会调用默认构造器，也会调用默认构造器中的super()（super()是用来调用父类的构造器，并可以传入参数），调用的super()是无参的，但是父类Animal没有创建无参的构造器，这会导致发生报错。

正确示例：

在cn.nyist.animal包中创建一个Dog和Cat的父类Animal类：

package cn.nyist.animal;

public class Animal{
    public String name;
    public String color;
    protected int age; // 子类可以使用protected的变量

    //构造器
    public Animal(String name,String color, int age){
        this.name = name;
        this.color = color;
        this.age = age;
    }

    public void eat(){
        System.out.println(name + "吃饭~");
    }

    public void sleep(){
        System.out.println(name + "睡觉~");
    }
}

在cn.nyist.animal包中创建一个Dog，Dog继承Animal

package cn.nyist.animal;

public class Dog extends Animal{

    public Dog(String name, String color, int age){
        super(name,color,age);
    }

    // 只需要再添加一个bark()方法
    public void bark(){
        System.out.println("汪汪~");
    }

}

在cn.nyist.animal包中创建一个Cat，Dog继承Cat

package cn.nyist.animal;

public class Cat extends Animal{

    // 构造器
    public Cat(String name, String color, int age){
        super(name,color,age);
    }

    public void mm() {
        System.out.println("喵喵~");
    }
}

测试

package cn.nyist.animal;

public class Cat extends Animal{

    // 构造器
    public Cat(String name, String color, int age){
        super(name,color,age);
    }

    public void mm() {
        System.out.println("喵喵~");
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

java文件的结构

2.4 访问父类成员

2.4.1 子类中访问父类成员的变量

在继承体系中，子类将父类中的方法和字段继承下来了，那在子类中能否直接访问父类中继承下来的成员呢？

在cn.nyist.study包中创建基类Base

package cn.nyist.study;

public class Base {
    protected int a;
    protected int b;
}

子类和父类不存在同名成员变量

package cn.nyist.study;

public class Son extends Base {
    int c;

    public void Fun(){
        a = 10; //访问父类的成员
        b = 20; // 访问父类的成员
        c = 30; // 访问自己的成员
    }
}

子类和父类存在同名成员变量

package cn.nyist.study;

public class Son extends Base {
    int b;
    int c;

    public void Fun(){
        a = 10; //访问父类的成员
        b = 20; // 访问自己的成员
        c = 30; // 访问自己的成员
    }
}

在子类方法中或者通过子类对象访问成员时：

如果访问的成员变量子类中有，优先访问自己的成员变量。
如果访问的成员变量子类中无，则访问父类继承下来的，如果父类也没有定义，则编译报错。
如果访问的成员变量与父类中成员变量同名，则优先访问自己的。

成员变量访问遵循就近原则，自己有优先自己的，如果没有则向父类中找。

2.4.2 访问父类的成员方法

在包cn.nyist.study中创建一个类Base

package cn.nyist.study;

public class Base {
    public void methodA(){
        System.out.println("Base中的methodA()");
    }

    public void methodB(){
        System.out.println("Base中的methodB()");
    }
}

成员方法不同名

package cn.nyist.study;

public class Son extends Base {
    public void methodC() {
        System.out.println("Son中的method(int)方法");
    }


    public void methodD(){
        methodA();    // 访问父类中的methodA()
        methodB();   // 访问父类中的methodA()
        methodC();   // 访问子类中的methodC()
    }
}

总结：成员方法没有同名时，在子类方法中或者通过子类对象访问方法时，则优先访问自己的，自己没有时再到父类中找，如果父类中也没有则报错。

成员方法同名

package cn.nyist.study;

public class Son extends Base {
    public void methodA(int a) {
        System.out.println("Son中的method(int)方法");
    }

    public void methodB(){
        System.out.println("Son中的methodB()方法");
    }

    public void methodD(){
        methodA();      // 没有传参，访问父类中的methodA()
        methodA(20);    // 传递int参数，访问子类中的methodA(int)
        methodB();      // 直接访问，则永远访问到的都是子类中的methodB()，基类的无法访问到
    }
}

【说明】

通过子类对象访问父类与子类中不同名方法时，优先在子类中找，找到则访问，否则在父类中找，找到则访问，否则编译报错。
通过派生类对象访问父类与子类同名方法时，如果父类和子类同名方法的参数列表不同(重载)，根据调用方法适传递的参数选择合适的方法访问，如果没有则报错；

2.5 super关键字

在有些场景中，子类和父类中可能会存在相同名称的成员，如果要在子类方法中访问父类同名成员时，该如何操作？

直接访问是无法做到的，Java提供了super关键字，该关键字主要作用：在子类方法中访问父类的成员。

在包cn.nyist.study中创建一个类Base

package cn.nyist.study;

public class Base {
    int a;
    int b;
    public void methodA(){
        System.out.println("Base中的methodA()");
    }

    public void methodB(){
        System.out.println("Base中的methodB()");
    }
}

在包cn.nyist.study中创建类Base的子类Son

package cn.nyist.study;

public class Son extends Base {
    int a;    // 与父类中成员变量同名且类型相同
    char b;   // 与父类中成员变量同名但类型不同

    // 与父类中methodA()构成重载
    public void methodA(int a) {
        System.out.println("Son中的method()方法");
    }

    // 与基类中methodB()构成重写(即原型一致，重写后序详细介绍)
    public void methodB() {
        System.out.println("Son中的methodB()方法");
    }

    public void methodC() {
        // 对于同名的成员变量，直接访问时，访问的都是子类的
        a = 100;   // 等价于： this.a = 100;
        b = 101;   // 等价于： this.b = 101;
        // 注意：this是当前对象的引用

        // 访问父类的成员变量时，需要借助super关键字
        // super是获取到子类对象中从基类继承下来的部分
        super.a = 200;
        super.b = 201;


        // 父类和子类中构成重载的方法，直接可以通过参数列表区分清访问父类还是子类方法
        methodA();      // 没有传参，访问父类中的methodA()
        methodA(20);    // 传递int参数，访问子类中的methodA(int)

        // 如果在子类中要访问重写的基类方法，则需要借助super关键字
        methodB();      // 直接访问，则永远访问到的都是子类中的methodA()，基类的无法访问到
        super.methodB(); // 访问基类的methodB()
    }
}

【注意事项】

只能在非静态方法中使用
在子类方法中，访问父类的成员变量和方法。

2.6 子类的构造方法

父子父子，先有父再有子，即：创建子类对象时，需要先调用基类构造方法，然后执行子类的构造方法。

在包cn.nyist.study中创建基类Base

package cn.nyist.study;

public class Base {
    public Base() {
        System.out.println("Base()");
    }
}

在包cn.nyist.study中创建类Base的子类

package cn.nyist.study;



public class Son extends Base {
    public Son(){
        // super();   // 注意子类构造方法中默认会调用基类的无参构造方法：super(),
        // 用户没有写时,编译器会自动添加，而且super()必须是子类构造方法中第一条语句，
// 并且只能出现一次
        System.out.println("Son()构造方法");
    }
}

在包cn.nyist.study中创建类Main，运行程序

package cn.nyist.study;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Son d = new Son();
    }
}

在这里插入图片描述
在子类构造方法中，并没有写任何关于基类构造的代码，但是在构造子类对象时，先执行基类的构造方法，然后执行子类的构造方法，因为：子类对象中成员是有两部分组成的，基类继承下来的以及子类新增加的部分。父子父子
肯定是先有父再有子，所以在构造子类对象时候，先要调用基类的构造方法，将从基类继承下来的成员构造完整，然后再调用子类自己的构造方法，将子类自己新增加的成员初始化完整。
注意：

若父类显式定义无参或者默认的构造方法，在子类构造方法第一行默认有隐含的super()调用，即调用基类构造方法
如果父类构造方法是带有参数的，此时需要用户为子类显式定义构造方法，并在子类构造方法中选择合适的父类构造方法调用，否则编译失败。
在子类构造方法中，super(…)调用父类构造时，必须是子类构造函数中第一条语句。
super(…)只能在子类构造方法中出现一次，并且不能和this同时出现。

3. 多态

3.1 多态的概念

多态允许你使用一个接口来表示不同的类型，从而实现更灵活和可扩展的代码设计。

多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

比如，有一个基类Animal，有一个吃饭的方法；子类Dog，重写方法吃饭变为吃骨头；子类Cat重写方法变为吃鱼。使用这两个子类的时候，都调用吃饭的方法，但是打印出不同的内容。

3.2 多太的实现

在java中要实现多态，必须要满足如下几个条件，缺一不可：

必须在继承体系下。
子类必须要对父类中方法进行重写。
通过父类的引用调用重写的方法。

多态体现：在代码运行时，当传递不同类对象时，会调用对应类中的方法

示例：

在cn.nyist.study包中创建一个基类Animal

package cn.nyist.animal;

public class Animal{
    public String name;
    public String color;
    protected int age;

    //构造器
    public Animal(String name,String color, int age){
        this.name = name;
        this.color = color;
        this.age = age;
    }

    public void eat(){
        System.out.println(name + "吃饭~");
    }

    public void sleep(){
        System.out.println(name + "睡觉~");
    }

}

在cn.nyist.study包中创建子类Dog

package cn.nyist.animal;

public class Dog extends Animal{

    public Dog(String name, String color, int age){
        super(name,color,age);
    }

    // 重写父类方法
    public void eat(){
        System.out.println(name+"吃骨头");
    }

}

在cn.nyist.study包中创建子类Cat

package cn.nyist.animal;

public class Cat extends Animal{

    // 构造器
    public Cat(String name, String color, int age){
        super(name,color,age);
    }

   public void eat(){
        System.out.println(name + "吃鱼");
   }
}

在cn.nyist.study包类Main，运行程序

package cn.nyist.animal;


public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建狗类的对象
        Dog dog = new Dog("小狗","黑色",1);
        Fun_eat(dog);

        // 创建猫类的对象
        Cat cat = new Cat("小猫","花色",3);
        Fun_eat(cat);
    }
    
	// 编译器在编译代码时，并不知道要调用Dog 还是 Cat 中eat的方法
	// 等程序运行起来后，形参a引用的具体对象确定后，才知道调用那个方法
	// 注意：此处的形参类型必须时父类类型才可以
    public static void Fun_eat(Animal a){
        a.eat();
        a.sleep();
    }
}

在这里插入图片描述

3.3 重写

重写(override)：也称为覆盖。重写是子类对父类非静态、非private修饰，非final修饰，非构造方法等的实现过程进行重新编写，==返回值和形参都不能改变。即外壳不变，核心重写！==重写的好处在于子类可以根据需要，定义特定于自己的行为。也就是说子类能够根据需要实现父类的方法。

【方法重写的规则】

子类在重写父类的方法时，一般必须与父类方法原型一致：返回值类型方法名 (参数列表) 要完全一致
被重写的方法返回值类型可以不同，但是必须是具有父子关系
访问权限不能比父类中被重写的方法的访问权限更低。例如：如果父类方法被public修饰，则子类中重写该方法就不能声明为 protected
父类被static、private修饰的方法、构造方法都不能被重写。
重写的方法, 可以使用 @Override 注解来显式指定. 有了这个注解能帮我们进行一些合法性校验. 例如不小心将方法名字拼写错了 (比如写成 aet), 那么此时编译器就会发现父类中没有 aet 方法, 就会编译报错, 提示无法构成重写.

【重写和重载的区别】

区别点	重写(override)	重载(overload)
参数列表	一定不能修改	必须修改
返回类型	一定不能修改【除非可以构成父子类关系】	可以修改
访问限定符	一定不能做更严格的限制（可以降低限制）	可以修改