多態(tài)性是面向?qū)ο蟪绦蛟O計代碼重用的一個重要機制，我們曾不只一次的提到Java多態(tài)性。今天我們再次深入Java核心，一起學習Java中多態(tài)性的實現(xiàn)。

　　“polymorphism(多態(tài)）”一詞來自希臘語，意為“多種形式”。多數(shù)Java程序員把多態(tài)看作對象的一種能力，使其能調(diào)用正確的方法版本。盡管如此，這種面向?qū)崿F(xiàn)的觀點導致了多態(tài)的神奇功能，勝于僅僅把多態(tài)看成純粹的概念。

　　Java中的多態(tài)總是子類型的多態(tài)。幾乎是機械式產(chǎn)生了一些多態(tài)的行為，使我們不去考慮其中涉及的類型問題。本文研究了一種面向類型的對象觀點，分析了如何將對象能夠 表現(xiàn)的行為和對象即將表現(xiàn)的行為分離開來。拋開Java中的多態(tài)都是來自繼承的概念，我們?nèi)匀豢梢愿械剑琂ava中的接口是一組沒有公共代碼的對象共享實 現(xiàn)。

　　多態(tài)的分類

　　多態(tài)在面向?qū)ο笳Z言中是個很普遍的概念.雖然我們經(jīng)常把多態(tài)混為一談，但實際上 有四種不同類型的多態(tài)。在開始正式的子類型多態(tài)的細節(jié)討論前，然我們先來看看普通面向?qū)ο笾械亩鄳B(tài)。

　　Luca Cardelli和Peter Wegner（"On Understanding Types, Data Abstraction, and Polymorphism"一文的作者， 文章參考資源鏈接）把多態(tài)分為兩大類----特定的和通用的----四小類：強制的，重載的，參數(shù)的和包含的。他們的結(jié)構如下：

　　在這樣一個體系中，多態(tài)表現(xiàn)出多種形式的能力。通用多態(tài)引用有 相同結(jié)構類型的大量對象，他們有著共同的特征。特定的多態(tài)涉及的是小部分沒有相同特征的對象。四種多態(tài)可做以下描述：

　　◆強制的：一種隱 式做類型轉(zhuǎn)換的方法。

　　◆重載的：將一個標志符用作多個意義。

　　◆參數(shù)的：為不同類型的參數(shù)提供相同的操作。

　　◆包含的：類包含關系的抽象操作。

　　我將在講述子類型多態(tài)前簡單介紹一下這幾種多態(tài)。

　　強制的多態(tài)

　　強制多態(tài)隱式的將參數(shù)按某種方法，轉(zhuǎn)換成編譯器認為正確的類型以避免錯誤。在以下的表達式中，編譯器必須決定二元運算符‘+’所應做的工作：

　　2.0 + 2.0

　　2.0 + 2

　　2.0 + "2"

　　第一個表達式將兩個double的 操作數(shù)相加；Java中特別聲明了這種用法。

　　第二個表達式將double型和int相加。Java中沒有明確定義這種運算。不過，編 譯器隱式的將第二個操作數(shù)轉(zhuǎn)換為double型，并作double型的加法。做對程序員來說十分方便，否則將會拋出一個編譯錯誤，或者強制程序員顯式的將 int轉(zhuǎn)換為double。

　　第三個表達式將double與一個String相加。Java中同樣沒有定義這樣的操作。所以，編譯器將 double轉(zhuǎn)換成String類型，并將他們做串聯(lián)。

　　強制多態(tài)也會發(fā)生在方法調(diào)用中。假設類Derived繼承了類Base，類C 有一個方法，原型為m(Base)，在下面的代碼中，編譯器隱式的將Derived類的對象derived轉(zhuǎn)化為Base類的對象。這種隱式的轉(zhuǎn)換使 m(Base)方法使用所有能轉(zhuǎn)換成Base類的所有參數(shù)。

　　C c = new C();

　　Derived derived = new Derived();  

　　c.m( derived );  

　　并且，隱式的強制轉(zhuǎn)換，可以避免 類型轉(zhuǎn)換的麻煩，減少編譯錯誤。當然，編譯器仍然會優(yōu)先驗證符合定義的對象類型。

         重載的多態(tài)

　　重載 允許用相同的運算符或方法，去表示截然不同的意義。‘+’在上面的程序中有兩個意思：兩個double型的數(shù)相加；兩個串相連。另外還有整型相加，長整 型，等等。這些運算符的重載，依賴于編譯器根據(jù)上下文做出的選擇。以往的編譯器會把操作數(shù)隱式轉(zhuǎn)換為完全符合操作符的類型。雖然Java明確支持重載，但 不支持用戶定義的操作符重載。

　　Java支持用戶定義的函數(shù)重載。一個類中可以有相同名字的方法，這些方法可以有不同的意義。這些重載 的方法中，必須滿足參數(shù)數(shù)目不同，相同位置上的參數(shù)類型不同。這些不同可以幫助編譯器區(qū)分不同版本的方法。

　　編譯器以這種唯一表示的特 征來表示不同的方法，比用名字表示更為有效。據(jù)此，所有的多態(tài)行為都能編譯通過。

　　強制和重載的多態(tài)都被分類為特定的多態(tài)，因為這些多 態(tài)都是在特定的意義上的。這些被劃入多態(tài)的特性給程序員帶來了很大的方便。強制多態(tài)排除了麻煩的類型和編譯錯誤。重載多態(tài)像一塊糖，允許程序員用相同的名 字表示不同的方法，很方便。

　　參數(shù)的多態(tài)

　　參數(shù)多態(tài)允許把許多類型抽象成單一的表示。例如，List 抽象類中，描述了一組具有同樣特征的對象，提供了一個通用的模板。你可以通過指定一種類型以重用這個抽象類。這些參數(shù)可以是任何用戶定義的類型，大量的用 戶可以使用這個抽象類，因此參數(shù)多態(tài)毫無疑問的成為最強大的多態(tài)。

　　乍一看，上面抽象類好像是java.util.List的功能。然 而，Java實際上并不支持真正的安全類型風格的參數(shù)多態(tài)，這也是java.util.List和java.util的其他集合類是用原始的 java.lang.Object寫的原因（參考我的文章"A Primordial Interface?" 以獲得更多細節(jié)）。Java的單根繼承方式解決了部分問題，但沒有發(fā)揮出參數(shù)多態(tài)的全部功能。Eric Allen有一篇精彩的文章“Behold the Power of Parametric Polymorphism”，描述了Java通用類型的需求，并建議給Sun的Java規(guī)格需求#000014號文檔"Add Generic Types to the Java Programming Language."（參考資源鏈接）

　　包含的多態(tài)

　　包含多態(tài)通過值的類型和集合的包含關系實現(xiàn)了多態(tài)的行為.在包括Java在內(nèi)的眾多面向?qū)ο笳Z言中，包含關系是子類型的。所以，Java的包含多態(tài)是子 類型的多態(tài)。

　　在早期，Java開發(fā)者們所提及的多態(tài)就特指子類型的多態(tài)。通過一種面向類型的觀點，我們可以看到子類型多態(tài)的強大功 能。以下的文章中我們將仔細探討這個問題。為簡明起見，下文中的多態(tài)均指包含多態(tài)。

　　面向類型觀點

　　圖1的UML類圖給出了類和類型的簡單繼承關系，以便于解釋多 態(tài)機制。模型中包含5種類型，4個類和一個接口。雖然UML中稱為類圖，我把它看成類型圖。如"Thanks Type and Gentle Class," 一文中所述，每個類和接口都是一種用戶定義的類型。按獨立實現(xiàn)的觀點（如面向類型的觀點），下圖中的每個矩形代表一種類型。從實現(xiàn)方法看，四種類型運用了 類的結(jié)構，一種運用了接口的結(jié)構。

　　 
圖1：示范代碼的UML類圖

　　以下的代碼實現(xiàn)了每個用戶 定義的數(shù)據(jù)類型，我把實現(xiàn)寫得很簡單。

　　用這樣的類型聲明和類的定義，圖2從概念的觀點描述了Java指令。

　　Derived2 derived2 = new Derived2();

圖2：Derived2 對象上的引用

　　上文中聲明了 derived2這個對象，它是Derived2類的。圖2種的最頂層把Derived2引用描述成一個集合的窗口，雖然其下的Derived2對象是可 見的。這里為每個Derived2類型的操作留了一個孔。Derived2對象的每個操作都去映射適當?shù)拇a，按照上面的代碼所描述的那樣。例 如，Derived2對象映射了在Derived中定義的m1()方法。而且還重載了Base類的m1()方法。一個Derived2的引用變量無權訪問 Base類中被重載的m1()方法。但這并不意味著不可以用super.m1()的方法調(diào)用去使用這個方法。關系到derived2這個引用的變量，這個 代碼是不合適的。Derived2的其他的操作映射同樣表明了每種類型操作的代碼執(zhí)行。

　　既然你有一個Derived2對象，可以用任 何一個Derived2類型的變量去引用它。如圖1所示，Derived, Base和IType都是Derived2的基類。所以，Base類的引用是很有用的。圖3描述了以下語句的概念觀點。

　　Base base = derived2;

　　 
圖3：Base類引用附于Derived2對象之上

　　雖然Base類的引用不用再訪問m3()和m4()，但是卻不會改變它Derived2對象的任何特征及操作映射。無論是變量derived2還是 base，其調(diào)用m1()或m2(String)所執(zhí)行的代碼都是一樣的。
兩個引用之所以調(diào)用同一個行為，是因為Derived2對象并不知道去調(diào)用哪個方法。對 象只知道什么時候調(diào)用，它隨著繼承實現(xiàn)的順序去執(zhí)行。這樣的順序決定了Derived2對象調(diào)用Derived里的m1()方法，并調(diào)用Derived2 里的m2(String)方法。這種結(jié)果取決于對象本身的類型，而不是引用的類型。

　　盡管如此，但不意味著你用derived2和 base引用的效果是完全一樣的。如圖3所示，Base的引用只能看到Base類型擁有的操作。所以，雖然Derived2有對方法m3()和m4()的 映射，但是變量base不能訪問這些方法。

　　運行期的Derived2對象保持了接受m3()和m4()方法的能力。類型的限制使 Base的引用不能在編譯期調(diào)用這些方法。編譯期的類型檢查像一套鎧甲，保證了運行期對象只能和正確的操作進行相互作用。換句話說，類型定義了對象間相互 作用的邊界。

　　多態(tài)的依附性

　　類型的一致性是多態(tài)的核心。對象上的每一個引用，靜態(tài)的類型檢查器都要確認這樣的依附和其對象的層次是一致的。當一個引用成功的依附于另一個不同的對象 時，有趣的多態(tài)現(xiàn)象就產(chǎn)生了。（嚴格的說，對象類型是指類的定義。）你也可以把幾個不同的引用依附于同一個對象。在開始更有趣的場景前，我們先來看一下下 面的情況為什么不會產(chǎn)生多態(tài)。

　　多個引用依附于一個對象

　　圖2和圖3描述的例子是把兩個及兩個以上的 引用依附于一個對象。雖然Derived2對象在被依附之后仍保持了變量的類型，但是，圖3中的Base類型的引用依附之后，其功能減少了。結(jié)論很明顯： 把一個基類的引用依附于派生類的對象之上會減少其能力。

　　一個開發(fā)這怎么會選擇減少對象能力的方案呢？這種選擇是間接的。假設有一個名 為ref的引用依附于一個包含如下方法的類的對象：

　　用一個Derived2的參數(shù)調(diào)用poly(Base)是符合參數(shù)類型檢查的：

　　方法調(diào)用把一個本地Base類型的變量依附在一個引入的對象上。所以，雖然這個方法只接 受Base類型的參數(shù)，但Derived2對象仍是允許的。開發(fā)這就不必選擇丟失功能的方案。從人眼在通過Derived2對象時所看到的情況，Base 類型引用的依附導致了功能的喪失。但從執(zhí)行的觀點看，每一個傳入poly1(Base)的參數(shù)都認為是Base的對象。執(zhí)行機并不在乎有多個引用指向同一 個對象，它只注重把指向另一個對象的引用傳給方法。這些對象的類型不一致并不是主要問題。執(zhí)行器只關心給運行時的對象找到適當?shù)膶崿F(xiàn)。面向類型的觀點展示 了多態(tài)的巨大能力。

　　附于多個對象的引用

　　讓我們來看一下發(fā)生在poly1(Base)中的多態(tài)行 為。下面的代碼創(chuàng)建了三個對象，并通過引用傳給poly1(Base):

　　poly1(Base)的實現(xiàn)代碼是調(diào)用傳進來的參數(shù)的m1()方法。圖3和圖4展示了 把三個類的對象傳給方法時，面向類型的所使用的體系結(jié)構。

　　 
圖4：將Base引用指向Derived類，以及Base對象

　　請注意每個圖中方法m1()的映射。圖3中，m1()調(diào)用了Derived類的代碼；上面代碼中的注釋標明了ploy1(Base)調(diào)用 Derived.m1()。圖4中Derived對象調(diào)用的仍然是Derived類的m1()方法。最后，圖4中，Base對象調(diào)用的m1()是Base 類中定義的代碼。

　　多態(tài)的魅力何在？再來看一下poly1(Base)的代碼，它可以接受任何屬于Base類范疇的參數(shù)。然而，當他收 到一個Derived2的對象時，它實際上卻調(diào)用了Derived版本的方法。當你根據(jù)Base類派生出其他類時，如 Derived，Derived2，poly1(Base)都可以接受這些參數(shù)，并作出選擇調(diào)用合適的方法。多態(tài)允許你在完成poly1(Base)后擴 展它的用途。

　　這看起來當然很神奇。基本的理解展示了多態(tài)的內(nèi)部工作原理。在面向類型的觀點中，底層的對象所實現(xiàn)的代碼是非實質(zhì)性的。 重要的是，類型檢查器會在編譯期間為每個引用選擇合適的代碼以實現(xiàn)其方法。多態(tài)使開發(fā)者運用面向類型的觀點，不考慮實現(xiàn)的細節(jié)。這樣有助于把類型和實現(xiàn)分 離（實際用處是把接口和實現(xiàn)分離）。

　　對象接口

　　多態(tài)依賴于類型和實現(xiàn)的分離，多用來把接口和實現(xiàn)分離。但下面的觀點好像把Java的關鍵字 interface搞得很糊涂。

　　更為重要的使開發(fā)者們怎樣理解短語“the interface to an object"，典型地，根據(jù)上下文，這個短語的意思是指一切對象類中所定義的方法，至一切對象公開的方法。這種傾向于以實現(xiàn)為中心的觀點較之于面向類型 的觀點來說，使我們更加注重于對象在運行期的能力。圖3中，引用面板的對象表面被標志成"Derived2 Object"。這個面板上列出了Derived2對象的所有可用的方法。但是要理解多態(tài)，我們必須從實現(xiàn)這一層次上解放出來，并注意面向類型的透視圖中 被標為"Base Reference"的面板。在這一層意思上，引用變量的類型指明了一個對象的表面。這只是一個表面，不是接口。在類型一致的原則下，我們可以用面向類型 的觀點，為一個對象依附多個引用。對interface to an object這個短語的理解沒有確定的理解。

　　在類型概念 中，the interface to an object refers 引用了面向類型觀點的最大可能----如圖2的情形。把一個基類的引用指向相同的對象縮小了這樣的觀點----如圖3所示。類型概念能使人獲得把對象間的 相互作用同實現(xiàn)細節(jié)分離的要領。相對于一個對象的接口，面向類型的觀點更鼓勵人們?nèi)ナ褂靡粋€對象的引用。引用類型規(guī)定了對象間的相互作用。當你考慮一個對 象能做什么的時候，只需搞明白他的類型，而不需要去考慮他的實現(xiàn)細節(jié)。

　　Java接口

　　以上所談到的 多態(tài)行為用到了類的繼承關系所建立起來的子類型關系。Java接口同樣支持用戶定義的類型，相對地，Java的接口機制啟動了建立在類型層次結(jié)構上的多態(tài) 行為。假設一個名為ref的引用變量，并使其指向一個包含一下方法的類對象：

　　為了弄明白poly2(IType)中的多態(tài)，以下的代碼從不同的類創(chuàng)建兩個對象，并分別把他們傳給 poly2(IType)：

　　上面的代碼類似于關于poly1(Base)中的多態(tài)的討論。poly2(IType)的實現(xiàn)代碼是調(diào) 用每個對象的 本地版本的m3()方法。如同以前，代碼的注釋表明了每次調(diào)用所返回的CString類型的結(jié)果。圖5表明了兩次調(diào)用poly2(IType)的概念結(jié)構：

　　 
圖5：指向Derived2和Separate對象的IType引用

　　方法poly1(Base)和poly2(IType)中所表現(xiàn)的多態(tài)行為的相似之處可以從透視圖中直接看出來。把我們在實現(xiàn)在一層上的理解再提高一 層，就可以看到這兩段代碼的技巧。基類的引用指向了作為參數(shù)傳進的類，并且按照類型的限制調(diào)用對象的方法。引用既不知道也不關心執(zhí)行哪一段代碼。編譯期間 的子類型關系檢查保證了通過的對象有能力在被調(diào)用的時候選擇合適的實現(xiàn)代碼。

　　然而，他們在實現(xiàn)層上有一個重要的差別。在 poly1(Base)的例子中（圖3和圖4），Base-Derived-Derived2的類繼承結(jié)構為子類型關系的建立提供了條件，并決定了方法去 調(diào)用哪段代碼。在poly2(IType)的例子中（如圖5），則是完全不同的動態(tài)發(fā)生的。Derived2和Separate不共享任何實現(xiàn)的層次，但 是他們還是通過IType的引用展示了多態(tài)的行為。

　　這樣的多態(tài)行為使Java的接口的功能的重大意義顯得很明顯。圖1中的UML類圖 說明了Derived是Base和IType的子類型。通過完全脫離實現(xiàn)細節(jié)的類型的定義方法，Java實現(xiàn)了多類型繼承，并且不存在Java所禁止的多 繼承所帶來的煩人的問題。完全脫離實現(xiàn)層次的類可以按照Java接口實現(xiàn)分組。在圖1中，接口IType和Derived,Separate以及這類型的 其他子類型應該劃為一組。

　　按照這種完全不同于實現(xiàn)層次的分類方法，Java的接口機制是多態(tài)變得很方便，哪怕不存在任何共享的實現(xiàn)或 者復寫的方法。如圖5所示，一個IType的引用，用多態(tài)的方法訪問到了Derived2和Separate對象的m3()方法。

　　再次探討對象的接口

　　注意圖5中的Derived2和Separate對象的對m1()的映射方法。如前所述，每一個對象的接 口都包含方法m1()。但卻沒有辦法用這兩個對象使方法m1()表現(xiàn)出多態(tài)的行為。每一個對象占有一個m1()方法是不夠的。必須存在一個可以操作 m1()方法的類型，通過這個類型可以看到對象。這些對象似乎是共享了m1()方法，但在沒有共同基類的條件下，多態(tài)是不可能的。通過對象的接口來看多 態(tài)，會把這個概念搞混。

　　結(jié)論

　　從全文所述的面向?qū)ο蠖鄳B(tài)所建立起來的子類型多態(tài)，你可以清楚地認識到這種面向類型的觀點。如果你想理解子類型多態(tài)的思想，就應該把注意力從實現(xiàn)的細節(jié)轉(zhuǎn)移到類型的上。類型把對象分成組，并且管理著這些對象的接口。類型的繼承層次結(jié)構決定了實現(xiàn)多態(tài)所需的類型關系。

　　有趣的是，實現(xiàn)的細節(jié)并不影響子類型多態(tài)的層次結(jié)構。類型決定了對象調(diào)用什么方法，而實 現(xiàn)則決定了對象怎么執(zhí)行這個方法。也就是說，類型表明了責任，而負責實施的則是具體的實現(xiàn)。將實現(xiàn)和類型分離后，我們好像看到了這兩個部分在一起跳舞，類型決定了他的舞伴和舞蹈的名字，而實現(xiàn)則是舞蹈動作的設計師。