1.7 多态

在编程中涉及类型层次时，我们通常会将一个对象视为其基类的一个实例，而不是对象实际的类。这种方式可以让你在编写代码时不依赖于具体的类。在形状的例子中，方法都是作用于通用的形状，而不需要关心该形状具体是圆形、矩形、三角形，还是一个没有明确定义的形状。因为所有的形状都可以被绘制、清除、移动，所以当这些方法发送消息至对象的时候，就无须关注对象是如何处理这条消息的。

当我们添加新的类时，这些代码是不受影响的，添加新的类可以扩展面向对象程序的能力，从而能够处理一些新的情况。比如，你为基类“形状”创建了一个子类“五边形”，并且不改变那些基于通用形状的方法。这种通过派生子类就可以轻松扩展程序设计的能力，是封装变化的一种基础方式。这种方式在改善设计的同时，也降低了软件维护的成本。

当你尝试用派生的子类替代通用基类（比如，把圆形当作形状，把自行车当作交通工具，把鸬鹚当作鸟等）时会发现一个问题，即调用方法来绘制这个通用的形状、驾驶这辆通用的交通工具或者让这只鸟飞翔时，编译器并不知道在编译时具体需要执行哪一段代码。那么重点来了，当消息被发送时，程序员并不关心具体执行的是哪一段代码。也就是说，当负责绘制的方法应用于圆形、矩形或者三角形时，这些对象将能够根据其类型执行对应的正确代码。

如果你并不关心具体执行的是哪一段代码，那么当你添加新的子类时，即使不对其基类的代码做任何修改，该子类实际执行的代码可能也会有所不同。但如果编译器无法得知应该具体执行哪一段代码，它会怎么做呢？比如下图中的BirdController对象，它可以和通用的Bird对象协同工作，同时它并不知道这些对象具体是什么类型的鸟。对于BirdController来说，这种方式非常方便，因为它无须额外编写代码来确定这些对象的具体类型和行为。那么问题来了，当一个Bird对象的move（）方法被调用时，如果我们并不清楚其具体的类型，该如何确保最终执行的是符合预期的正确行为呢（比如Goose对象执行的是行走、飞翔或游泳，Penguin对象则是移动或游泳，见图1-8）？

答案来自继承机制的一种重要技巧：编译器并非通过传统方式来调用方法。对于非面向对象编译器而言，其生成的函数调用会触发“前期绑定”（early binding），这是一个你可能从来都没听说过的词，因为你从未考虑过使用这种方式。前期绑定意味着编译器会生成对一个具体方法名的调用，该方法名决定了被执行代码的绝对地址。但是对于继承而言，程序直到运行时才能明确代码的地址，所以就需要引入其他可行的方案以确保消息可以顺利发送至对象。

为了解决上面提及的问题，面向对象语言使用的机制是“后期绑定”（late binding）。也就是说，当你向某个对象发送消息时，直到运行时才会确定哪一段代码会被调用。编译器会确保被调用的方法是真实存在的，并对该方法的参数和返回值进行类型检查，但是它并不知道具体执行的是哪一段代码。

为了实现后期绑定，Java使用了一些极为特殊的代码以代替直接的函数调用，这段代码使用存储在对象中的信息来计算方法体的地址（第9章会详细地描述这个过程）。其结果就是，在这些特殊代码的作用下，每一个对象会有不同的表现。通俗地讲，当你向一个对象发送消息时，该对象自己会找到解决之道。

顺便一提，在某些编程语言里，你必须显式地为方法赋予这种后期绑定特性。比如，C++使用virtual关键字来达到此目的。在这些编程语言中，方法并不默认具备动态绑定特性。不过，Java默认具备动态绑定特性，所以你无须借助于其他关键字或代码来实现多态。

我们再来看一下形状的例子。之前的图中展示了一些形状的类（这些类都基于统一的接口），为了更好地描述多态，我们编写一小段只关注基类而不关注具体子类的代码。由于这段代码不关注类的细节，因此非常简单易懂。此外，如果我们通过继承添加了一个新的子类“六边形”，我们的代码仍然适用于这个新的Shape类，就像适用于其他已有子类一样。因此可以说，这段程序具备扩展性。

如果你用Java编写一个方法（你马上就会学到具体应该怎么做）：

这个方法适用于任何Shape对象，所以它不关心进行绘制和清除的对象具体是什么类型。如果程序的其他地方调用了doSomething（）方法，比如：

不管对象具体属于哪个类，doSomething（）方法都可以正常运行。

简直妙不可言。我们再看这一行代码：

在这段代码里，原本我们需要传递一个Shape对象作为参数，而实际传递的参数却是一个Circle类的对象。因为Circle也是一个Shape，所以doSomething（）也可以接受Circle。也就是说，doSomething（）发送给Shape对象的任何消息也可以发送给Circle对象。这是一种非常安全且逻辑清晰的做法。

这种将子类视为基类的过程叫作“向上转型”（upcasting）。这里的“转型”指的是转变对象的类型，而“向上”沿用的是继承图的常规构图，即基类位于图的顶部，数个子类则扇形分布于下方。因此，转变为基类在继承图中的路径就是一路向上，也就叫作“向上转型”（见图1-9）。

面向对象程序总会包含一些向上转型的代码，因为这样就可以让我们无须关心对象具体的类是什么。再看一下doSomething（）方法中包含的代码：

需要注意的是，代码并没有告诉我们，“如果是一个Circle请这样做，如果是一个Square请那样做，诸如此类”。如果你真的编写了一段代码用于检查所有可能出现的形状，那么这段代码必然是一团糟，并且每当你为Shape添加一个新的子类时，都必须修改这段代码。所以，上面的代码实际上做的是：“这是一个Shape，我知道它可以进行绘制和清除，那就这么干吧，具体细节交给形状自己处理就好”。

doSomething（）方法的神奇之处在于，代码运行的结果是符合预期的。如果直接通过Circle、Square或者Line对象调用draw（）方法，运行的代码自然是不同的。如果调用draw（）方法时并不知道Shape对象的具体类型，它也能正常工作，即执行其实际子类的代码。这一点十分了不起，因为当Java编译器编译doSomething（）的代码时，它并不知道对象的类型是什么。通常来说，你可能会想当然地认为被调用的是基类Shape的erase（）和draw（）方法，而非具体的Circle、Square或者Line子类，然而实际情况是，确实是具体的子类被调用了，这就是多态。编译器和运行时系统负责处理各种细节，你需要了解的就是多态机制的存在，更重要的是要知道如何利用多态进行设计。当你向一个对象发送消息时，哪怕需要用到向上转型，该对象也能够正确地处理该消息。 38gPTyQpCOKVl8huYOEvpAJcWJBQ95wdNNzCpvql6BMUIJT/utzbQU4rZwvSwVwg