Java程序設(shè)計基礎(chǔ) 課件 （羅剛）第7章 多態(tài)與接口、第8章 異常處理

第七章多態(tài)與接口7.1多態(tài)7.2多態(tài)的支撐技術(shù)7.3多態(tài)實現(xiàn)7.4多態(tài)分析7.5接口本章小結(jié)

7.1多態(tài)

本章將要介紹的面向?qū)ο笕筇卣鞯淖詈笠粋€特征——多態(tài)(Polymorphism)，是面向?qū)ο缶幊讨蟹浅Ｖ匾募夹g(shù)，能增強程序的擴展性，提高程序的可維護性。如果一個語言只支持類而不支持多態(tài)，只能說明它是基于對象的，而不是面向?qū)ο蟮?。多態(tài)是什么？多種形態(tài)？這樣的回答是將問題還給提問者，任何意義，要理解多態(tài)，必須要清楚下列幾個問題：

多態(tài)發(fā)生在什么地方？

多態(tài)是怎么發(fā)生的？

多態(tài)的支撐技術(shù)是什么？

多態(tài)有什么好處？

并且需要通過程序代碼理解和掌握多態(tài)，否則就是紙上談兵。

7.2多態(tài)的支撐技術(shù)

7.2.1向上轉(zhuǎn)型1.向上轉(zhuǎn)型子類繼承父類，如Dog繼承Animal，這是繼承技術(shù)。有了繼承才會有向上轉(zhuǎn)型，即父類的引用變量指向子類的對象。這個在現(xiàn)實世界中很好理解：我們看到一只狗，可以說那只狗是一只動物，這種說法是沒有問題的，這就是向上轉(zhuǎn)型，其程序語句與內(nèi)存示意圖如圖7-1所示。

圖7-1向上轉(zhuǎn)型內(nèi)存示意圖

2.向下轉(zhuǎn)型

既然有向上轉(zhuǎn)型，那向下轉(zhuǎn)型呢？如果反過來，用子類的引用變量去指向父類的對象會如何呢？比如：

Dogdog=newAnimal("animal1",20); ×

這樣的語句在程序編譯階段會直接報錯，為什么呢？

現(xiàn)實世界中，不能隨便看到一個動物就說該動物是一條狗，這樣的說法是有問題的。當然也有成立的條件：這只動物本身就是一條狗。如果這只動物是別的動物，這個說法就是錯誤的。誰也不是魔法師，不能指著一條魚說是狗，這只動物就變成了一條狗。

對于Dog類的引用變量dog而言，Dog類中定義了color成員變量，但是它現(xiàn)在指向的是一個Animal的對象，而在Animal類中并沒有定義color成員，Animal對象在堆內(nèi)存中自然也沒有color這個成員，當dog對象想使用color成員的時候也會出錯。

父類所有成員是子類所有成員的子集，所以父類的引用變量指向子類對象不會出現(xiàn)問題，只會出現(xiàn)一些成員被屏蔽不可見的情況；但是子類的引用變量指向父類對象，就會缺少一些成員，導致調(diào)用成員出錯。在實際編程中，向下轉(zhuǎn)型是使用強制類型轉(zhuǎn)換來完成，但是應該謹慎使用，否則就會出現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換出錯的異常。

7.2.2動態(tài)綁定

1.方法綁定

把一個方法與其主體關(guān)聯(lián)起來叫做方法的綁定，方法的主體主要是類或?qū)ο?。方法的綁定主要分為靜態(tài)綁定、動態(tài)綁定(也可以稱為前期綁定、后期綁定)。

2.靜態(tài)綁定

在程序執(zhí)行前方法已經(jīng)與主體綁定，這是由編譯器或其他連接程序來實現(xiàn)的，C語言的方法就是典型的靜態(tài)綁定，在編譯之前就可以通過閱讀程序知道程序運行的結(jié)果。Java中也有靜態(tài)綁定，如被final、static、private修飾的方法以及構(gòu)造方法，其它方法都屬于動態(tài)綁定。

3．動態(tài)綁定

動態(tài)綁定即方法與方法的主體在運行時才進行綁定。Java的大部分方法都屬于動態(tài)綁定。Java中的動態(tài)綁定是由Java虛擬機來實現(xiàn)的，不用顯式地聲明；C++則不同，必須明確地聲明某個方法具備后期綁定特性。

例如，程序語句“an.move();”中，move方法的調(diào)用主體是an，但是an只有在運行時才知道是什么動物，由于向上轉(zhuǎn)型的存在，Animal、Fish、Dog、Bird這些類的對象都可以傳遞給an，不同類對象調(diào)用move()方法的表現(xiàn)是不同的，從這里就可以看出多態(tài)的特征了。

7.3多態(tài)實現(xiàn)

現(xiàn)在通過一個動物行為展示程序來說明多態(tài)的具體實現(xiàn)，該程序需要以下幾個類：(1)動物類的父類Animal(也可以使用抽象的動物父類Animal2)；(2)動物類的子類：Dog、Fish和Bird；(3)展示動物信息和行為的類：ShowMoving。這幾個類及類關(guān)系的UML圖如圖7-2所示。

圖7-2動物類UML圖

程序結(jié)果：

7.4.1多態(tài)發(fā)生的地方上述動物展示的程序中，多態(tài)發(fā)生在showMove()方法上，該函數(shù)傳入的參數(shù)對象為Animal2類型。在運行該方法時，由實際傳入的具體對象來展示動物的信息及行為。如圖7-3所示，可以看出多態(tài)的支撐技術(shù)以及其發(fā)生的地方。

7.4多態(tài)分析

圖7-3多態(tài)的發(fā)生

7.4.2多態(tài)的作用

例如，對類ShowMoving來說，如果沒有動態(tài)綁定，沒有向上轉(zhuǎn)型，那么該類要展示動物類，就會變成這樣：

展示Fish類的showMove方法：

展示Dog類的showMove方法：

展示Bird類的showMove方法：

也就是說，ShowMoving類中會有很多showMove方法的重載，用以適應各種動物。當程序需要展示更多的動物類時，必須一是完成動物子類的編寫；二是在ShowMoving類中重載對應的showMove()方法，而這些方法的方法體中都是相同的代碼：“an.showInfo();”和“an.move();”，這樣就會在該類中出現(xiàn)很多重復代碼，并且難以維護。

有了多態(tài)，就可以發(fā)現(xiàn)在前面編寫的程序中，不管增加多少個動物子類，對于ShowMoving類的showMove()方法都是不用改變的，而要展示更多的動物子類行為，只需完成動物子類的編寫，生成對象交給showMove()方法，就可以展示出該動物子類對象的行為。通過方法showMove(Animal2animal)，我們知道，只要是實現(xiàn)了抽象類Animal2的子類，都可以將自己的對象傳入這個函數(shù)以展示自己的行為。多態(tài)消除了重復代碼，程序的擴展性和維護性得到了增強。

7.5接口

7.5.1接口聲明接口的定義和類的定義很相似，分為接口的聲明和接口體，只是使用關(guān)鍵字interface代替了關(guān)鍵字class：

接口體中包含常量的聲明(即使用final修飾的成員變量)和抽象方法兩部分。由于全是抽象方法，所以abstract修飾符可以省略不寫。接口體中所有的常量、所有的抽象方法的訪問權(quán)限都是public(可以省略public修飾符)。下面我們通過一個實例將Animal2抽象類的兩個方法抽取出來形成一個接口。

編譯該接口，可以看到該接口源文件名還是Showable.java，編譯之后的字節(jié)碼文件還是Showable.class。

為什么接口的名字很多都加上了一個后綴able？這是大多數(shù)程序員的習慣，也算是一種命名風格，如定義的這個Showable接口，該接口名暗示我們：誰實現(xiàn)這個接口，誰就具有顯示信息和展示行為的能力(也體現(xiàn)在兩個方法的聲明上)。

7.5.2實現(xiàn)接口

實現(xiàn)接口是指某個類通過繼承的方式獲得接口定義的方法，然后將接口中所有的抽象類的方法實現(xiàn)為非抽象方法。實現(xiàn)接口的類稱為該接口的實現(xiàn)類。實現(xiàn)接口是使用implements關(guān)鍵字完成的：

從語法上說，一個類要實現(xiàn)一個接口就要將該接口的所有非抽象方法都實現(xiàn)(讓方法具有方法體，如果方法體是空的{}，則稱為空實現(xiàn))；如果只是實現(xiàn)了部分抽象方法，按照抽象類的定義，該類就應該聲明為一個抽象類。

一個類只能繼承一個父類，但可以同時實現(xiàn)多個接口，如：

上述程序段的意思是：Dog類繼承了Animal類，獲得了Animal的成員，并且實現(xiàn)了Eatable和Sleepable，實現(xiàn)接口就具備了接口定義的能力，所以Dog類就可以eat，可以sleep了。

下面編寫一個石頭Stone類實現(xiàn)Showable接口。

Stone實現(xiàn)類實現(xiàn)接口Showable的UML圖如圖7-4所示。圖7-4接口實現(xiàn)的UML圖

7.5.3接口與多態(tài)

下面來看如圖7-5所示三組關(guān)系，并思考這三組關(guān)系的演變。圖7-5繼承與實現(xiàn)

父類與子類是繼承關(guān)系，抽象類與實現(xiàn)類實質(zhì)上也是繼承關(guān)系，接口是完全抽象類，所以接口與實現(xiàn)類也可以視為繼承關(guān)系(實現(xiàn)類獲得并重寫了接口定義的成員方法)，因此接口與實現(xiàn)類之間同樣可以進行向上轉(zhuǎn)型：接口類型的引用變量指向?qū)崿F(xiàn)類的對象。

上面使用繼承來實現(xiàn)多態(tài)時，ShowMoving類暗示：只要是動物類的子類都可以進入到該類的showMove()方法中展示自己的信息與行為，程序局限于只能對動物類的子類進行展示。而剛剛編寫的Stone類從現(xiàn)實世界的觀點來看，不應該是動物類的子類；從語法的角度來看，Java是單繼承，Stone如果繼承了其它類，就不能再繼承動物類(Java并不支持多繼承)，那么，如何讓Stone類也能夠進入到ShowMoving類中展示自己的信息和行動呢？這就需要使用接口的方式實現(xiàn)多態(tài)。下面在以上繼承實現(xiàn)多態(tài)的基礎(chǔ)上進行改寫。

(4)各個動物類的子類Fish、Dog、Bird均不變。

程序結(jié)果：

7.5.4面向接口編程

1.關(guān)于接口的幾點認識

(1)接口的定義關(guān)心的是做什么，具體怎么做是由其實現(xiàn)類來完成的。

(2)接口體現(xiàn)的是一種規(guī)范，對于接口的實現(xiàn)者而言，接口規(guī)定了實現(xiàn)者必須向外提供哪些服務(方法對外提供服務與功能)；對于接口的調(diào)用者而言，接口規(guī)定了調(diào)用者可以調(diào)用哪些方法，獲得哪些服務，以及如何調(diào)用這些服務。

(3)當在一個程序中使用接口時，接口是多個模塊間的耦合標準；當在多個應用程序之間使用接口時，接口是多個程序之間的通信標準。

(4)接口作為系統(tǒng)與外界交互的窗口，體現(xiàn)的是一種規(guī)范。從某種程度上來看，接口類似于整個系統(tǒng)的“總綱”或“框架”，它制定了系統(tǒng)各模塊應該遵循的標準。

所以，接口體現(xiàn)的是一種規(guī)范和實現(xiàn)分離的設(shè)計理念，充分利用接口可以很好地降低程序各模塊之間的耦合性，從而提高系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。

2.面向接口編程(Interface-OrientedProgramming)

我們開始是使用繼承來實現(xiàn)多態(tài)的，之后我們把要展示的兩個方法showInfo()和move()抽取出來，放到Showable接口中，使用接口實現(xiàn)多態(tài)，然后發(fā)現(xiàn)程序的擴展性變得更強，具體的接口和類的結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。

圖7-6面向接口編程的UML圖

如果能事先根據(jù)程序的需求預先定義好接口，由接口來定義規(guī)范搭建程序的框架，然后面向接口編程，編寫具體的實現(xiàn)類，就會發(fā)現(xiàn)程序的擴展性和可維護性獲得了增強，并且程序中的耦合性降低了，這是面向?qū)ο缶幊趟Ｍ龅降?，也是面向接口編程的主要思想?/p>

本章小結(jié)

1．實現(xiàn)多態(tài)程序需要的基本支撐技術(shù)包括繼承、動態(tài)綁定、向上轉(zhuǎn)型。2．動態(tài)綁定即Java的方法都是有主體的，只有當方法被調(diào)用的時候，才會和方法的主體進行綁定。3．向上轉(zhuǎn)型即父類的引用變量可以指向子類的對象。4．使用繼承來實現(xiàn)多態(tài)程序，程序的擴展性可以這樣描述：只要是Animal類的子類，都能夠進入到多態(tài)方法中展示自己的行為。

5．使用接口來實現(xiàn)多態(tài)程序，程序的擴展性可以這樣描述：誰實現(xiàn)了相應的接口，誰就能進入到多態(tài)方法中展示自己的行為。

6．接口就是完全抽象類，使用interface代替了abstractclass，接口中全是抽象方法，方法聲明可以省略public和abstract的修飾。

7．接口中可以包含字段，但是會被隱式地聲明為static和final。

8．接口的實現(xiàn)類，就是實現(xiàn)了接口所有方法的類，將接口的所有抽象方法重寫為非抽象方法，實現(xiàn)使用的是implements關(guān)鍵字。

9．我們可以使用接口來搭建程序的結(jié)構(gòu)框架，通過面向接口編程，降低程序的耦合性，增強程序的擴展性和可維護性。第八章異常處理8.1異常處理基礎(chǔ)8.2異常處理語法8.3自定義異常類本章小結(jié)

8.1異常處理基礎(chǔ)

所謂異常，就是程序運行時可能出現(xiàn)的一些不正常、錯誤的情況。例如，試圖打開一個根本不存在的文件、類型轉(zhuǎn)換失敗、數(shù)據(jù)庫連接異常等，異常處理機制將會改變程序的控制流程，讓程序有機會對錯誤做出處理。沒有異常處理機制的編程語言，對程序可能出現(xiàn)的異常情況，往往是用很多if-else的分支語句來盡可能地預知可能發(fā)生的情況，保證程序的容錯性。但是由于我們需要預測的可能性太多，代碼將會劇增，程序?qū)⒆兊脧碗s。

如圖8-1所示是Java異常類的層次結(jié)構(gòu)。

圖8-1Java異常層次圖

在這個異常類層次最上層的是Throwable，它是java.Lang包中的一個類，該類的名字類似接口名，但實際是一個Java類。Throwable類是Java語言中所有錯誤或異常的超類，該類派生了兩個子類java.lang.Error和java.lang.Exception。圖中最底層的三項分別說明如下。

(1)?RuntimeException(運行時異常)。運行時異常是程序運行時自動對某些錯誤做出反應而產(chǎn)生的，所以對于運行時異常不需要編寫異常處理的程序代碼，依然可以成功編譯，主要包括算術(shù)異常類、空指針異常類、下標越界異常類、數(shù)組元素個數(shù)為負異常類、類型強制轉(zhuǎn)換異常類、無效參數(shù)異常類等等。這類異常應通過檢查程序和程序調(diào)試來盡量避免，而不是使用try-catch-finally語句捕獲處理，比如a/b，其中的b有可能為0，但是這樣的表達式是不需要進行異常處理的。

(2)其它異常類。其它異常類指的是在Exception類下除了RuntimeException之外的異常類，可以稱之為受檢類異常(CheckedException)。這種異常經(jīng)常是在程序運行過程中由環(huán)境原因造成的，如輸入/輸出I/O異常、網(wǎng)絡地址不能打開、文件未找到等，對于受檢類異常必須在程序中使用try-catch-finally語句捕獲并進行相應的處理，否則不能通過編譯。這是語法上的強制要求，主要在Java的輸入/輸出程序中比較常見。

(3)各種Error子類。各種Error子類是由系統(tǒng)保留的異常類，該類定義了那些應用程序通常無法捕捉到的錯誤，一旦此類錯誤發(fā)生，程序就停止運行。該類主要包括內(nèi)存溢出錯誤類、棧溢出錯誤類、類定義未找到錯誤類、圖形界面錯誤類等。

各種Error子類主要包括OutOfMemoryError、StackOverflowError、NoClassDefFoundError、java.awt.AWTError等。

從上面的描述來看，Java的異常主要有三類：

(1)程序不能處理的錯誤Error；

(2)程序應避免而可以不去捕獲的運行時異常RuntimeException；

(3)必須捕獲的非運行時異常CheckedException。

8.2異常處理語法8.2.1try-catch-finally如果程序運行過程中發(fā)生了異常，系統(tǒng)會捕獲拋出的異常對象并輸出相應的信息，同時終止程序的運行，導致其后的程序無法運行。這可能并不是用戶所期望的，用戶可能更希望由程序來獲取和處理異常對象，其它的程序語句則能夠繼續(xù)運行，這就是捕獲異常的主要作用，也就是說，對可能發(fā)生受檢類異常的語句進行監(jiān)控，被監(jiān)控的語句一旦發(fā)生異常，由異常處理機制來接管程序，并讓后續(xù)的程序可以繼續(xù)運行。

try-catch-finally異常處理語法的格式為

說明：

(1)?try塊：監(jiān)控區(qū)主要是對可能發(fā)生受檢類異常CheckedException的程序語句段使用try進行包圍，而對于可能發(fā)生Error或者RuntimeException的語句一般不進行監(jiān)控。

(2)?catch塊：如果程序需要在catch塊中訪問異常對象的相關(guān)信息，可以通過catch后異常形參來獲得，然后在后面的語句塊中進行處理。在一個try-catch-finally的結(jié)構(gòu)中，try塊只有一個，而catch塊可以有多個，表示能對監(jiān)控區(qū)中的語句進行監(jiān)控，可以捕捉多個可能發(fā)生的異常。

(3)?finally塊：不管監(jiān)控區(qū)是否發(fā)生異常，異常被拋出是否被捕捉到，在try-catch-finally結(jié)構(gòu)的運行流程中如果有finally塊，就一定要執(zhí)行finally塊中的語句。finally塊是可以被省略的，它常常被用來回收一些物理資源，如數(shù)據(jù)庫連接、網(wǎng)絡連接、磁盤文件等。

Java異常處理機制如圖8-2所示。

圖8-2Java異常處理機制

如果沒有異常處理機制，會如何？

(1)異常一旦發(fā)生，整個程序就會在發(fā)生異常的地方終止運行。

(2)如果沒有異常處理機制，可以使用if-else的結(jié)構(gòu)來處理可能發(fā)生的異常，從圖8-2也可以看出異常處理機制類似于分支結(jié)構(gòu)(注：多分支對應了異常處理可以有多個catch語句)。

多個分支結(jié)構(gòu)，類似于try-catch-finally中的多個catch結(jié)構(gòu)。如果有多個catch語句，要注意catch的排列順序，如果父類的異常類放在前面，子類放在后面，按照向上轉(zhuǎn)型的觀點，子類catch就不能捕捉到相應的異常對象，因為父類在前面對異常對象的捕獲進行了“攔截”(只要有一個catch捕捉到異常對象，后面的catch結(jié)構(gòu)就不再執(zhí)行，這個與多分支結(jié)構(gòu)if-elseif是邏輯一致的)。有不少“偷懶”的程序員，在監(jiān)控區(qū)后面就只寫一個catch(Exceptionex)，表示對所有的異常類進行捕獲，這樣也滿足了異常處理的語法要求。

當try塊一旦發(fā)生異常，系統(tǒng)就會生成對應的異常類對象然后拋出，而異常處理機制就會依次使用后面的catch語句來進行捕捉；一旦捕獲該異常對象，會將該異常對象賦給catch塊后的異常引用變量，程序就可以通過該引用變量來獲取該異常的相關(guān)信息，并進行相應的處理。下面通過一個程序示例來進行說明。

程序結(jié)果：

程序結(jié)果：

8.2.2throw/throws

當異常發(fā)生時，系統(tǒng)會將相對應的異常類對象生成并拋出。如果是Java定義好的運行時異常或者錯誤，都由系統(tǒng)自動拋出；如果想在程序中主動拋出異?；蛘呗暶骱瘮?shù)要拋出異常，可以使用throw或者throws。

1．throw

如果在一個方法內(nèi)部需要主動拋出異常對象，可以使用throw(第一人稱)進行異常拋出，其語法為

throw異常類對象;

程序結(jié)果：

2．throws

如果是在一個方法的頭部聲明該方法可能要拋出異常，可以使用throws來完成(第三人稱單數(shù)加s)，其語法為

使用throws聲明拋出異常的一般情況是：當前方法不知道如何(或者不想)處理方法中可能發(fā)生的異常，于是不使用try-catch監(jiān)控和捕捉異常，而是在方法聲明中說明該方法將有可能拋出異常，由方法的上一級調(diào)用者處理，自己不再處理。

函數(shù)嵌套調(diào)用可能會使得異常一層層向上拋出，最后會拋出到main方法。如果main方法也不進行處理，繼續(xù)使用throws聲明拋出異常，而該異常就會拋出到控制臺上顯示異常的棧軌跡信息，并中止程序運行。

當一個方法在頭部聲明拋出異常后，如果為受檢類異常，則該方法被調(diào)用的時候就必須用try-catch-finally結(jié)構(gòu)對該方法監(jiān)控并進行異常處理或者繼續(xù)聲明向上拋出，如下列程序所示。

8.3自定義異常類

用戶自定義異常都應該繼承Exception類，如果希望自定義運行時異常，則應該繼承RuntimeException類。定義異常類時通常需要提供兩種構(gòu)造函數(shù)：一是無參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)；二是帶一個字符串的構(gòu)造函數(shù)，這個字符串將作為該異常對象的詳細說明(也就是異常對象的getMessage方法的返回值)。

由于Exception類中具有以下方法，所以自定義異常類也繼承了這幾個方法：

(1)?getMessage()：返回該異常的詳細描述字符串。

(2)?printStackTrace()：將該異常的跟蹤棧軌跡