八、复用（1）

news2024/11/15 17:39:25

本章概要

  • 组合语法
  • 继承语法
    • 初始化基类
    • 带参数的构造函数
  • 委托

代码复用是面向对象编程（OOP）最具魅力的原因之一。

对于像 C 语言等面向过程语言来说，“复用”通常指的就是“复制代码”。任何语言都可通过简单复制来达到代码复用的目的，但是这样做的效果并不好。Java 围绕“类”（Class）来解决问题。我们可以直接使用别人构建或调试过的代码，而非创建新类、重新开始。

如何在不污染源代码的前提下使用现存代码是需要技巧的。学习以下两种方式来达到这个目的：

  1. 第一种方式直接了当。在新类中创建现有类的对象。这种方式叫做“组合”（Composition），通过这种方式复用代码的功能，而非其形式。
  2. 第二种方式更为微妙。创建现有类类型的新类。照字面理解：采用现有类形式，又无需在编码时改动其代码，这种方式就叫做“继承”（Inheritance），编译器会做大部分的工作。继承是面向对象编程（OOP）的重要基础之一。更多功能相关将在多态（Polymorphism）章节中介绍。

组合与继承的语法、行为上有许多相似的地方（这其实是有道理的，毕竟都是基于现有类型构建新的类型）。在本章中，你会学到这两种代码复用的方法。

组合语法

在前面的学习中，“组合”（Composition）已经被多次使用。你仅需要把对象的引用（object references）放置在一个新的类里，这就使用了组合。例如，假设你需要一个对象，其中内置了几个 String 对象，两个基本类型（primitives）的属性字段，一个其他类的对象。对于非基本类型对象，将引用直接放置在新类中，对于基本类型属性字段则仅进行声明。

class WaterSource {
    private String s;

    WaterSource() {
        System.out.println("WaterSource()");
        s = "Constructed";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return s;
    }
}

public class SprinklerSystem {
    private String valve1, valve2, valve3, valve4;
    private WaterSource source = new WaterSource();
    private int i;
    private float f;

    @Override
    public String toString() {
        return "valve1 = " + valve1 + " " +
                        "valve2 = " + valve2 + " " +
                        "valve3 = " + valve3 + " " +
                        "valve4 = " + valve4 + "\n" +
                        "i = " + i + " " + "f = " + f + " " +
                        "source = " + source; // [1]
    }

    public static void main(String[] args) {
        SprinklerSystem sprinklers = new SprinklerSystem();
        System.out.println(sprinklers);
    }
}

WaterSource()
valve1 = null valve2 = null valve3 = null valve4 = null
i = 0 f = 0.0 source = Constructed

这两个类中定义的一个方法是特殊的: toString()。每个非基本类型对象都有一个 toString() 方法，在编译器需要字符串但它有对象的特殊情况下调用该方法。因此，在 [1] 中，编译器看到你试图“添加”一个 WaterSource 类型的字符串对象 。因为字符串只能拼接另一个字符串，所以它就先会调用 toString() 将 source 转换成一个字符串。然后，它可以拼接这两个字符串并将结果字符串传递给 System.out.println()。要对创建的任何类允许这种行为，只需要编写一个 toString() 方法。在 toString() 上使用 @Override ** 注解来告诉编译器，以确保正确地覆盖。@Override ** 是可选的，但它有助于验证你没有拼写错误 (或者更微妙地说，大小写字母输入错误)。类中的基本类型字段自动初始化为零，正如 object Everywhere 一章中所述。但是对象引用被初始化为 null，如果你尝试调用其任何一个方法，你将得到一个异常（一个运行时错误）。方便的是，打印 null 引用却不会得到异常。

编译器不会为每个引用创建一个默认对象，这是有意义的，因为在许多情况下，这会导致不必要的开销。初始化引用有四种方法:

  1. 当对象被定义时。这意味着它们总是在调用构造函数之前初始化。
  2. 在该类的构造函数中。
  3. 在实际使用对象之前。这通常称为_延迟初始化_。在对象创建开销大且不需要每次都创建对象的情况下，它可以减少开销。
  4. 使用实例初始化。

以上四种实例创建的方法例子在这：

class Soap {
    private String s;

    Soap() {
        System.out.println("Soap()");
        s = "Constructed";
    }

    @Override
    public String toString() {
        return s;
    }
}

public class Bath {
    private String // Initializing at point of definition:
            s1 = "Happy",
            s2 = "Happy",
            s3, s4;
    private Soap castille;
    private int i;
    private float toy;

    public Bath() {
        System.out.println("Inside Bath()");
        s3 = "Joy";
        toy = 3.14f;
        castille = new Soap();
    }

    // Instance initialization:
    {
        i = 47;
    }

    @Override
    public String toString() {
        if (s4 == null) // Delayed initialization:
        {
            s4 = "Joy";
        }
        return "s1 = " + s1 + "\n" +
                        "s2 = " + s2 + "\n" +
                        "s3 = " + s3 + "\n" +
                        "s4 = " + s4 + "\n" +
                        "i = " + i + "\n" +
                        "toy = " + toy + "\n" +
                        "castille = " + castille;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Bath b = new Bath();
        System.out.println(b);
    }
}

在这里插入图片描述

在 Bath 构造函数中，有一个代码块在所有初始化发生前就已经执行了。当你不在定义处初始化时，仍然不能保证在向对象引用发送消息之前执行任何初始化——如果你试图对未初始化的引用调用方法，则未初始化的引用将产生运行时异常。

当调用 toString() 时，它将赋值 s4，以便在使用字段的时候所有的属性都已被初始化。

继承语法

继承是所有面向对象语言的一个组成部分。事实证明，在创建类时总是要继承，因为除非显式地继承其他类，否则就隐式地继承 Java 的标准根类对象（Object）。

组合的语法很明显，但是继承使用了一种特殊的语法。当你继承时，你说，“这个新类与那个旧类类似。你可以在类主体的左大括号前的代码中声明这一点，使用关键字 extends 后跟基类的名称。当你这样做时，你将自动获得基类中的所有字段和方法。这里有一个例子:

class Cleanser {
    private String s = "Cleanser";

    public void append(String a) {
        s += a;
    }

    public void dilute() {
        append(" dilute()");
    }

    public void apply() {
        append(" apply()");
    }

    public void scrub() {
        append(" scrub()");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return s;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cleanser x = new Cleanser();
        x.dilute();
        x.apply();
        x.scrub();
        System.out.println(x);
    }
}

public class Detergent extends Cleanser {
    // Change a method:
    @Override
    public void scrub() {
        append(" Detergent.scrub()");
        super.scrub(); // Call base-class version
    }

    // Add methods to the interface:
    public void foam() {
        append(" foam()");
    }

    // Test the new class:
    public static void main(String[] args) {
        Detergent x = new Detergent();
        x.dilute();
        x.apply();
        x.scrub();
        x.foam();
        System.out.println(x);
        System.out.println("Testing base class:");
        Cleanser.main(args);
    }
}

Cleanser dilute() apply() scrub()

Cleanser dilute() apply() Detergent.scrub() scrub() foam()
Testing base class:
Cleanser dilute() apply() scrub()

这演示了一些特性。首先，在 Cleanser 的 append() 方法中，使用 += 操作符将字符串连接到 s，这是 Java 设计人员“重载”来处理字符串的操作符之一 (还有 + )。

第二，Cleanser 和 Detergent 都包含一个 main() 方法。你可以为每个类创建一个 main() ; 这允许对每个类进行简单的测试。当你完成测试时，不需要删除 main(); 你可以将其留在以后的测试中。即使程序中有很多类都有 main() 方法，惟一运行的只有在命令行上调用的 main()。这里，当你使用 java Detergent 时候，就调用了 Detergent.main()。但是你也可以使用 java Cleanser 来调用 Cleanser.main()，即使 Cleanser 不是一个公共类。即使类只具有包访问权，也可以访问 public main()。

在这里，Detergent.main() 显式地调用 Cleanser.main()，从命令行传递相同的参数(当然，你可以传递任何字符串数组)。

Cleanser 中的所有方法都是公开的。请记住，如果不使用任何访问修饰符，则成员默认为包访问权限，这只允许包内成员访问。因此，如果没有访问修饰符，那么包内的任何人都可以使用这些方法。例如，Detergent 就没有问题。但是，如果其他包中的类继承 Cleanser，则该类只能访问 Cleanser 的公共成员。因此，为了允许继承，一般规则是所有字段为私有，所有方法为公共。(protected成员也允许派生类访问;你以后会知道的。)在特定的情况下，你必须进行调整，但这是一个有用的指南。

Cleanser 的接口中有一组方法: append()、dilute()、apply()、scrub() 和 toString()。因为 Detergent 是从 Cleanser 派生的(通过 extends 关键字)，所以它会在其接口中自动获取所有这些方法，即使你没有在 Detergent 中看到所有这些方法的显式定义。那么，可以把继承看作是复用类。如在 scrub() 中所见，可以使用基类中定义的方法并修改它。在这里，你可以在新类中调用基类的该方法。但是在 scrub() 内部，不能简单地调用 scrub()，因为这会产生递归调用。为了解决这个问题，Java的 super 关键字引用了当前类继承的“超类”(基类)。因此表达式 super.scrub() 调用方法 scrub() 的基类版本。

继承时，你不受限于使用基类的方法。你还可以像向类添加任何方法一样向派生类添加新方法:只需定义它。方法 foam() 就是一个例子。Detergent.main() 中可以看到，对于 Detergent 对象，你可以调用 Cleanser 和 Detergent 中可用的所有方法 (如 foam() )。

初始化基类

现在涉及到两个类：基类和派生类。想象派生类生成的结果对象可能会让人感到困惑。从外部看，新类与基类具有相同的接口，可能还有一些额外的方法和字段。但是继承并不只是复制基类的接口。当你创建派生类的对象时，它包含基类的子对象。这个子对象与你自己创建基类的对象是一样的。只是从外部看，基类的子对象被包装在派生类的对象中。

必须正确初始化基类子对象，而且只有一种方法可以保证这一点 : 通过调用基类构造函数在构造函数中执行初始化，该构造函数具有执行基类初始化所需的所有适当信息和特权。Java 自动在派生类构造函数中插入对基类构造函数的调用。下面的例子展示了三个层次的继承:

class Art {
    Art() {
        System.out.println("Art constructor");
    }
}

class Drawing extends Art {
    Drawing() {
        System.out.println("Drawing constructor");
    }
}

public class Cartoon extends Drawing {
    public Cartoon() {
        System.out.println("Cartoon constructor");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cartoon x = new Cartoon();
    }
}

Art constructor
Drawing constructor
Cartoon constructor

构造从基类“向外”进行，因此基类在派生类构造函数能够访问它之前进行初始化。即使不为 Cartoon 创建构造函数，编译器也会为你合成一个无参数构造函数，调用基类构造函数。尝试删除 Cartoon 构造函数来查看这个。

带参数的构造函数

上面的所有例子中构造函数都是无参数的 ; 编译器很容易调用这些构造函数，因为不需要参数。如果没有无参数的基类构造函数，或者必须调用具有参数的基类构造函数，则必须使用 super 关键字和适当的参数列表显式地编写对基类构造函数的调用:

// reuse/Chess.java
// (c)2017 MindView LLC: see Copyright.txt
// We make no guarantees that this code is fit for any purpose.
// Visit http://OnJava8.com for more book information.
// Inheritance, constructors and arguments

class Game {
  Game(int i) {
    System.out.println("Game constructor");
  }
}

class BoardGame extends Game {
  BoardGame(int i) {
    super(i);
    System.out.println("BoardGame constructor");
  }
}

public class Chess extends BoardGame {
  Chess() {
    super(11);
    System.out.println("Chess constructor");
  }
  public static void main(String[] args) {
    Chess x = new Chess();
  }
}
/* Output:
Game constructor
BoardGame constructor
Chess constructor
*/

如果没有在 BoardGame 构造函数中调用基类构造函数，编译器就会报错找不到 Game() 的构造函数。此外，对基类构造函数的调用必须是派生类构造函数中的第一个操作。(如果你写错了，编译器会提醒你。)

委托

Java 不直接支持的第三种重用关系称为委托。这介于继承和组合之间，因为你将一个成员对象放在正在构建的类中(比如组合)，但同时又在新类中公开来自成员对象的所有方法(比如继承)。例如，宇宙飞船需要一个控制模块:

// reuse/SpaceShipControls.java
// (c)2017 MindView LLC: see Copyright.txt
// We make no guarantees that this code is fit for any purpose.
// Visit http://OnJava8.com for more book information.

public class SpaceShipControls {
  void up(int velocity) {}
  void down(int velocity) {}
  void left(int velocity) {}
  void right(int velocity) {}
  void forward(int velocity) {}
  void back(int velocity) {}
  void turboBoost() {}
}

建造宇宙飞船的一种方法是使用继承:

// reuse/DerivedSpaceShip.java
// (c)2017 MindView LLC: see Copyright.txt
// We make no guarantees that this code is fit for any purpose.
// Visit http://OnJava8.com for more book information.

public class DerivedSpaceShip extends SpaceShipControls {
  private String name;
  public DerivedSpaceShip(String name) {
    this.name = name;
  }
  @Override
  public String toString() { return name; }
  public static void main(String[] args) {
    DerivedSpaceShip protector = new DerivedSpaceShip("NSEA Protector");
    protector.forward(100);
  }
}

然而， DerivedSpaceShip 并不是真正的“一种” SpaceShipControls ，即使你“告诉” DerivedSpaceShip 调用 forward()。更准确地说，一艘宇宙飞船包含了 SpaceShipControls，同时 SpaceShipControls 中的所有方法都暴露在宇宙飞船中。委托解决了这个难题:

// reuse/SpaceShipDelegation.java
// (c)2017 MindView LLC: see Copyright.txt
// We make no guarantees that this code is fit for any purpose.
// Visit http://OnJava8.com for more book information.

public class SpaceShipDelegation {
  private String name;
  private SpaceShipControls controls = new SpaceShipControls();
  public SpaceShipDelegation(String name) {
    this.name = name;
  }
  // Delegated methods:
  public void back(int velocity) {
    controls.back(velocity);
  }
  public void down(int velocity) {
    controls.down(velocity);
  }
  public void forward(int velocity) {
    controls.forward(velocity);
  }
  public void left(int velocity) {
    controls.left(velocity);
  }
  public void right(int velocity) {
    controls.right(velocity);
  }
  public void turboBoost() {
    controls.turboBoost();
  }
  public void up(int velocity) {
    controls.up(velocity);
  }
  public static void main(String[] args) {
    SpaceShipDelegation protector = new SpaceShipDelegation("NSEA Protector");
    protector.forward(100);
  }
}

方法被转发到底层 control 对象，因此接口与继承的接口是相同的。但是，你对委托有更多的控制，因为你可以选择只在成员对象中提供方法的子集。

虽然Java语言不支持委托，但是开发工具常常支持。例如，上面的例子是使用 JetBrains Idea IDE 自动生成的。

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