計算機程序的思惟邏輯 (17) - 繼承實現的基本原理

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第15節咱們介紹了繼承和多態的基本概念，而上節咱們進一步介紹了繼承的一些細節，本節咱們經過一個例子，來介紹繼承實現的基本原理。須要說明的是，本節主要從概念上來介紹原理，實際實現細節可能與此不一樣。

例子

這是基類代碼：

public class Base {
    public static int s;
    private int a;
    
    static {
        System.out.println("基類靜態代碼塊, s: "+s);
        s = 1;
    }
    
    {
        System.out.println("基類實例代碼塊, a: "+a);
        a = 1;
    }
    
    public Base(){
        System.out.println("基類構造方法, a: "+a);
        a = 2;
    }
    
    protected void step(){
        System.out.println("base s: " + s +", a: "+a);
    }
    
    public void action(){
        System.out.println("start");
        step();
        System.out.println("end");
    }
}
複製代碼

Base包括一個靜態變量s，一個實例變量a，一段靜態初始化代碼塊，一段實例初始化代碼塊，一個構造方法，兩個方法step和action。

這是子類代碼：

public class Child extends Base {
    public static int s;
    private int a;
    
    static {
        System.out.println("子類靜態代碼塊, s: "+s);
        s = 10;
    }
    
    {
        System.out.println("子類實例代碼塊, a: "+a);
        a = 10;
    }
    
    public Child(){
        System.out.println("子類構造方法, a: "+a);
        a = 20;
    }
    
    protected void step(){
        System.out.println("child s: " + s +", a: "+a);
    }
}
複製代碼

Child繼承了Base，也定義了和基類同名的靜態變量s和實例變量a，靜態初始化代碼塊，實例初始化代碼塊，構造方法，重寫了方法step。

這是使用的代碼：

public static void main(String[] args) {
    System.out.println("---- new Child()");
    Child c = new Child();
    
    System.out.println("\n---- c.action()");
    c.action();
    
    Base b = c;
    System.out.println("\n---- b.action()");
    b.action();
    
    
    System.out.println("\n---- b.s: " + b.s); 
    System.out.println("\n---- c.s: " + c.s); 
}
複製代碼

建立了Child類型的對象，賦值給了Child類型的引用變量c，經過c調用action方法，又賦值給了Base類型的引用變量b，經過b也調用了action，最後經過b和c訪問靜態變量s並輸出。這是屏幕的輸出結果：

---- new Child()
基類靜態代碼塊, s: 0
子類靜態代碼塊, s: 0
基類實例代碼塊, a: 0
基類構造方法, a: 1
子類實例代碼塊, a: 0
子類構造方法, a: 10

---- c.action()
start
child s: 10, a: 20
end

---- b.action()
start
child s: 10, a: 20
end

---- b.s: 1

---- c.s: 10
複製代碼

下面咱們來解釋一下背後都發生了一些什麼事情，從類的加載開始。

類的加載

在Java中，所謂類的加載是指將類的相關信息加載到內存。在Java中，類是動態加載的，當第一次使用這個類的時候纔會加載，加載一個類時，會查看其父類是否已加載，若是沒有，則會加載其父類。

一個類的信息主要包括如下部分：

• 類變量（靜態變量）
• 類初始化代碼
• 類方法（靜態方法）
• 實例變量
• 實例初始化代碼
• 實例方法
• 父類信息引用

類初始化代碼包括：

1. 定義靜態變量時的賦值語句
2. 靜態初始化代碼塊

實例初始化代碼包括：

1. 定義實例變量時的賦值語句
2. 實例初始化代碼塊
3. 構造方法

類加載過程包括：

1. 分配內存保存類的信息
2. 給類變量賦默認值
3. 加載父類
4. 設置父子關係
5. 執行類初始化代碼

須要說明的是，關於類初始化代碼，是先執行父類的，再執行子類的，不過，父類執行時，子類靜態變量的值也是有的，是默認值。對於默認值，咱們以前說過，數字型變量都是0，boolean是false，char是'\u0000'，引用型變量是null。

以前咱們說過，內存分爲棧和堆，棧存放函數的局部變量，而堆存放動態分配的對象，還有一個內存區，存放類的信息，這個區在Java中稱之爲方法區。

加載後，對於每個類，在Java方法區就有了一份這個類的信息，以咱們的例子來講，有三份類信息，分別是Child，Base，Object，內存示意圖以下：

咱們用class_init()來表示類初始化代碼，用instance_init()表示實例初始化代碼，實例初始化代碼包括了實例初始化代碼塊和構造方法。例子中只有一個構造方法，實際中可能有多個實例初始化方法。

本例中，類的加載大概就是在內存中造成了相似上面的佈局，而後分別執行了Base和Child的類初始化代碼。接下來，咱們看對象建立的過程。

建立對象

在類加載以後，new Child()就是建立Child對象，建立對象過程包括：

1. 分配內存
2. 對全部實例變量賦默認值
3. 執行實例初始化代碼

分配的內存包括本類和全部父類的實例變量，但不包括任何靜態變量。實例初始化代碼的執行從父類開始，先執行父類的，再執行子類的。但在任何類執行初始化代碼以前，全部實例變量都已設置完默認值。

每一個對象除了保存類的實例變量以外，還保存着實際類信息的引用。

Child c = new Child();會將新建立的Child對象引用賦給變量c，而Base b = c;會讓b也引用這個Child對象。建立和賦值後，內存佈局大概以下圖所示：

引用型變量c和b分配在棧中，它們指向相同的堆中的Child對象，Child對象存儲着方法區中Child類型的地址，還有Base中的實例變量a和Child中的實例變量a。建立了對象，接下來，來看方法調用的過程。

方法調用

咱們先來看c.action();這句代碼的執行過程是：

1. 查看c的對象類型，找到Child類型，在Child類型中找action方法，發現沒有，到父類中尋找
2. 在父類Base中找到了方法action，開始執行action方法
3. action先輸出了start，而後發現須要調用step()方法，就從Child類型開始尋找step方法
4. 在Child類型中找到了step()方法，執行Child中的step()方法，執行完後返回action方法
5. 繼續執行action方法，輸出end

尋找要執行的實例方法的時候，是從對象的實際類型信息開始查找的，找不到的時候，再查找父類類型信息。

咱們來看b.action();，這句代碼的輸出和c.action是同樣的，這稱之爲動態綁定，而動態綁定實現的機制，就是根據對象的實際類型查找要執行的方法，子類型中找不到的時候再查找父類。這裏，由於b和c指向相同的對象，因此執行結果是同樣的。

若是繼承的層次比較深，要調用的方法位於比較上層的父類，則調用的效率是比較低的，由於每次調用都要進行不少次查找。大多數系統使用一種稱爲虛方法表的方法來優化調用的效率。

虛方法表

所謂虛方法表，就是在類加載的時候，爲每一個類建立一個表，這個表包括該類的對象全部動態綁定的方法及其地址，包括父類的方法，但一個方法只有一條記錄，子類重寫了父類方法後只會保留子類的。

對於本例來講，Child和Base的虛方法表以下所示：

對Child類型來講，action方法指向Base中的代碼，toString方法指向Object中的代碼，而step()指向本類中的代碼。

這個表在類加載的時候生成，當經過對象動態綁定方法的時候，只須要查找這個表就能夠了，而不須要挨個查找每一個父類。

接下來，咱們看對變量的訪問。

變量訪問

對變量的訪問是靜態綁定的，不管是類變量仍是實例變量。代碼中演示的是類變量：b.s和c.s，經過對象訪問類變量，系統會轉換爲直接訪問類變量Base.s和Child.s。

例子中的實例變量都是private的，不能直接訪問，若是是public的，則b.a訪問的是對象中Base類定義的實例變量a，而c.a訪問的是對象中Child類定義的實例變量a。

小結

本節，咱們經過一個例子，介紹了類的加載、對象建立、方法調用以及變量訪問的內部過程。如今，咱們應該對繼承的實現有了一個比較清楚的理解。

以前咱們提到過，繼承實際上是把雙刃劍，爲何這麼說呢？讓咱們下節來探討。

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