5.3　原理學(xué)習(xí)：Java的對象與類、接口實現(xiàn)與包機制

5.3.1　Java的對象與類

1. 對象與類的定義

（1）Java的對象。現(xiàn)實世界有很多對象，如貓、狗等，這些對象都有自己的狀態(tài)和行為，如貓的狀態(tài)有名字、品種和顏色等，貓的行為有叫、搖尾巴和跑等。

軟件對象也有狀態(tài)和行為。軟件對象的狀態(tài)就是屬性，行為可以通過方法來實現(xiàn)。在軟件開發(fā)中，方法可以改變對象內(nèi)部的狀態(tài)，對象之間的相互調(diào)用也是通過方法來完成的。

（2）Java的類。類可以看成創(chuàng)建對象的模板，一個類通常包含以下類型變量：

① 局部變量：在方法、構(gòu)造函數(shù)或者語句塊中定義的變量被稱為局部變量，變量聲明和初始化都是在方法中實現(xiàn)的，方法結(jié)束后，局部變量會被自動銷毀。

② 成員變量：成員變量是定義在類中、方法外的變量。成員變量在創(chuàng)建對象時被實例化，成員變量可以被類中方法、構(gòu)造函數(shù)和特定類的語句塊訪問。

③ 類變量：類變量在類中、方法外聲明，必須聲明為靜態(tài)類型。

（3）定義構(gòu)造函數(shù)。每個類都有構(gòu)造函數(shù)。如果沒有顯式地為類定義構(gòu)造函數(shù)，則Java編譯器會為該類提供一個默認構(gòu)造函數(shù)。在創(chuàng)建一個對象時，至少要調(diào)用一個構(gòu)造函數(shù)。構(gòu)造函數(shù)的名稱必須與類名相同，一個類可以有多個構(gòu)造函數(shù)。下面是一個構(gòu)造函數(shù)的示例。

（4）創(chuàng)建對象。對象是根據(jù)類創(chuàng)建的，在Java中，可以使用關(guān)鍵字new來創(chuàng)建一個對象。創(chuàng)建對象需要以下三步：

① 聲明：聲明一個對象，包括對象名稱和對象類型。

② 實例化：使用new創(chuàng)建一個對象。

③ 初始化：在使用new創(chuàng)建對象時，會調(diào)用構(gòu)造函數(shù)來初始化對象。

下面是一個創(chuàng)建對象的示例。

（5）訪問變量和方法。在Java中，可以通過已創(chuàng)建的對象來訪問類中的變量和方法，如下所示。

（6）源文件的聲明規(guī)則。如果要在一個源文件中定義多個類，并且還有import語句和package語句，則應(yīng)遵守以下聲明規(guī)則：

① 一個源文件中只能有一個public類。

② 一個源文件可以有多個非public類。

③ 源文件的名稱應(yīng)該和public類的名稱保持一致。例如，若源文件中public類的名稱是Dog，則源文件應(yīng)該命名為Dog.java。

④ 如果一個類定義在某個包中，則package語句應(yīng)該在源文件的首行。

⑤ 如果源文件包含import語句，則該語句應(yīng)該放在package語句和類定義之間；如果沒有package語句，則import語句應(yīng)該放在源文件中最前面。

⑥ import語句和package語句在源文件中定義的所有類都有效。

（7）Java包。將功能相似或相關(guān)的類和接口放在同一個包中，可以方便類和接口的查找及使用，對類和接口進行分類。當(dāng)開發(fā)Java程序時，可能會涉及很多類和接口，因此有必要對類和接口進行分類。

（8）import語句。import語句用來提供一個合理的目錄，使得編譯器可以找到某個類。例如，采用下面的語句可以載入Java安裝目錄“/java/io”下的所有類。

2. Java常用類介紹

（1）Java類庫的結(jié)構(gòu)。類庫就是Java API，是系統(tǒng)提供的標準類的集合。Java類庫中的類和接口大多封裝在特定的包里，每個包具有自己的功能。表5.1列出了Java中的常用包，其中，包名后面帶“.*”的表示其中包括一些相關(guān)的包，通過查閱Java技術(shù)文檔可以了解更多的類庫。

除了java.lang，其他的包都需要用import語句導(dǎo)入之后才能使用。

（2）基本數(shù)據(jù)類型的類。java.lang不僅包含了Object類，java.lang.Object類是Java中整個類層次結(jié)構(gòu)的根節(jié)點，還定義了基本數(shù)據(jù)類型的類，如Boolean、Character、Byte、Integer、Short、Long、Float和Double等，這些類支持基本數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，如表5.2所示。

（3）String類和StringBuffer類。Java字符串是由String類和StringBuffer類來處理的。Java中的字符串屬于String類，雖然可以用其他方法表示字符串，但使用String類作為字符串的標準格式，Java編譯器可以把字符串轉(zhuǎn)換成String對象。如果需要進行大量的字符串操作，就可以使用StringBuffer類或字符數(shù)組。

StringBuffer類與String類相似，它具有String類的很多功能。StringBuffer對象可以在緩沖區(qū)內(nèi)被修改，如增加、替換字符或子字符串。在完成緩沖字符串?dāng)?shù)據(jù)操作后，可以通過StringBuffer.toString方法或String類的構(gòu)造函數(shù)將字符串轉(zhuǎn)換成標準字符串格式。

（4）System類。System類是一個特殊類，它是一個公共最終類，不能被繼承，也不能被實例化，即不能創(chuàng)建System對象。System類功能強大，與Java運行時一起可以訪問許多有用的系統(tǒng)功能。System類是保存靜態(tài)方法和變量的集合，標準的輸入、輸出和Java運行時的錯誤輸出都存儲在變量in、out和err中。System類中所有的變量和方法都是靜態(tài)的，使用時以System作為前綴，如“System.變量名”和“System.方法名”。

（5）Math類。Math類提供了用于基本數(shù)學(xué)運算的屬性和方法。

（6）Vector類。當(dāng)創(chuàng)建過大的數(shù)組時，會造成空間的浪費。Java中的java.util包提供了Vector類，通過該類可以根據(jù)需要創(chuàng)建動態(tài)數(shù)組。另外，Vector類還提供了一些有用的方法，如增加和刪除元素的方法。

（7）Stack類。Stack類是Vector類的一個子類，用于實現(xiàn)后進先出的堆棧。Stack類定義了創(chuàng)建空堆棧的構(gòu)造函數(shù)，不僅包括由Vector類定義的所有方法，還增加了幾種它自己定義的方法。

（8）ArrayList類。ArrayList是一個容量能夠動態(tài)變化的動態(tài)數(shù)組，它繼承自AbstractList類，實現(xiàn)了List、RandomAccess、Cloneable、java.io.Serializable等接口。

ArrayList類適合隨機訪問元素，但在數(shù)組中插入和刪除元素的效率較低。由于ArrayList類不是線程安全的，因此該類適合在單線程中使用，而在多線程中則使用Vector類或者CopyOnWriteArrayList類。

（9）HashMap類和HashSet類。HashMap類和HashSet類是Java集合框架（Collection Framework）中的兩個重要成員，HashMap是Map接口的常用實現(xiàn)類，HashSet是Set接口的常用實現(xiàn)類。

3. 繼承

繼承允許創(chuàng)建不同等級的類，子類可以繼承父類的特征和行為，從而使得子類的對象（實例）具有父類的實例域和方法。子類也可以從父類繼承方法，使得子類與父類具有相同的行為。

Java可以通過關(guān)鍵字extends來聲明一個類是從另外一個類繼承而來的，格式如下：

（1）繼承的特性。

① 子類擁有父類非private的屬性和方法。

② 子類可以擁有自己的屬性和方法，即子類可以對父類進行擴展。

③ 子類可以用自己的方式實現(xiàn)父類的方法。

④ Java的繼承是單繼承，但是可以多重繼承。單繼承是指一個子類只能繼承一個父類；多重繼承是指多層次的繼承，如B類繼承A類、C類繼承B類，按照關(guān)系來說，B類是C類的父類，A類是B類的父類。

⑤ 繼承可以提高類之間的耦合性，但耦合度高就會造成代碼之間的聯(lián)系變得緊密，使獨立性變差。

（2）繼承的關(guān)鍵字。Java可以通過關(guān)鍵字extends和implements來實現(xiàn)繼承。在Java中，所有的類都繼承自O(shè)bject，如果一個類沒有使用繼承的兩個關(guān)鍵字，則默認為繼承自O(shè)bject類。

① extends關(guān)鍵字。類的繼承是單一繼承，一個子類只能擁有一個父類，所以extends只能繼承自一個類。

② implements關(guān)鍵字。使用implements關(guān)鍵字可以變相地使Java具有多繼承的特性，適用于繼承接口的情況，可以同時繼承多個接口。

③ super與this關(guān)鍵字。通過super關(guān)鍵字可以訪問父類成員，用來引用當(dāng)前對象的父類；this關(guān)鍵字用于指向自己的引用。

④ final關(guān)鍵字。使用final關(guān)鍵字聲明的類是不能被繼承的，為最終類；使用final關(guān)鍵字修飾的類的方法不能被該類的子類覆寫；定義為final的實例變量不能被修改；被聲明為final類，其方法將會被自動聲明為final，但實例變量并不是final。

（3）構(gòu)造函數(shù)。子類不能繼承父類的構(gòu)造函數(shù)。如果父類的構(gòu)造函數(shù)帶有參數(shù)，則必須在子類的構(gòu)造函數(shù)中顯式地通過super關(guān)鍵字調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)并配以適當(dāng)?shù)膮?shù)列表；如果父類的構(gòu)造函數(shù)沒有參數(shù)，則在子類的構(gòu)造函數(shù)中通過super關(guān)鍵字調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)不是必需的，如果沒有使用super關(guān)鍵字，系統(tǒng)會自動調(diào)用父類的無參構(gòu)造函數(shù)。

4. 封裝

封裝是一種將抽象性函數(shù)接口的實現(xiàn)細節(jié)部分包裝、隱藏起來的方法。適當(dāng)?shù)姆庋b可以讓代碼變得更容易理解與維護。

（1）封裝的優(yōu)點。

① 良好的封裝能夠減少耦合。

② 可以對成員變量進行更精確的控制。

③ 可以隱藏實現(xiàn)細節(jié)。

（2）實現(xiàn)Java封裝的步驟

① 通過修改屬性的可見性來限制對屬性的訪問（一般限制為private）。例如：

② 對每個屬性提供對外的公共方法，也就是創(chuàng)建一對賦/取值方法，用于對私有屬性進行訪問。例如：

5.3.2　Java的接口

1. 接口的定義

接口是一個抽象類型，是抽象方法的集合，接口通常用interface關(guān)鍵字來聲明。一個類可以通過繼承接口的方式來繼承接口的抽象方法。

接口并不是類，編寫接口的方式和類很相似，但是它們屬于不同的概念。類描述的是對象的屬性和方法，接口則包含類要實現(xiàn)的方法。除非實現(xiàn)接口的類是抽象類，否則該類要定義接口中的所有方法。接口無法被實例化，但是可以被實現(xiàn)。在類實現(xiàn)接口時，必須實現(xiàn)接口內(nèi)所描述的所有方法，否則就必須聲明為抽象類。另外，在Java中，接口類型可用來聲明一個變量。

2. 接口的聲明

interface關(guān)鍵字用來聲明一個接口，格式如下：

接口具有以下特性：

（1）接口是隱式抽象的，當(dāng)聲明一個接口時，不必使用abstract關(guān)鍵字。

（2）接口中每一個方法也是隱式抽象的，在聲明接口中的方法時同樣也不必使用abstract關(guān)鍵字。

（3）接口中的方法都是公有的。

3. 接口的實現(xiàn)

當(dāng)類實現(xiàn)接口時，類要實現(xiàn)接口中所有的方法，否則該類必須聲明為抽象類。類使用implements關(guān)鍵字實現(xiàn)接口，在類聲明中，implements關(guān)鍵字應(yīng)放在class聲明后面。實現(xiàn)一個接口的格式如下：

例如：

在覆寫接口中聲明的方法時，需要注意以下規(guī)則：

① 類在實現(xiàn)接口的方法時，不能拋出強制性異常，只能在接口中或者繼承接口的抽象類中拋出該強制性異常。

② 類在覆寫方法時要保持方法名的一致，并且應(yīng)該保持相同或者相兼容的返回值類型。

③ 如果實現(xiàn)接口的類是抽象類，就沒必要實現(xiàn)該接口的方法。

在實現(xiàn)接口時，也要注意以下規(guī)則：

① 一個類可以同時實現(xiàn)多個接口。

② 一個類只能繼承一個類，但能實現(xiàn)多個接口。

③ 一個接口能繼承另一個接口。

4. 接口的繼承

一個接口能繼承另一個接口，接口的繼承使用extends關(guān)鍵字。下面的Animal接口被Bird和Fish接口繼承：

Bird接口聲明了1個方法，從Animal接口繼承了2個方法，這樣在實現(xiàn)Bird接口的類時需要實現(xiàn)3個方法。

5. 接口的多繼承

類的多繼承是不合法的，但接口允許多繼承。在接口的多繼承中，extends關(guān)鍵字只需要使用一次，在其后跟著繼承接口即可。例如：

上述語句定義的子接口是合法的。與類不同的是，接口允許多繼承。

6. 標記接口

最常用的繼承接口是不包含任何方法的接口，不包含任何方法的接口稱為標記接口。標記接口是一種不包含任何方法和屬性的接口，僅僅表明它的類屬于一個特定的類型。標記接口的作用是給某個對象打個“標”，使對象擁有某個或某些特權(quán)。例如，java.awt.event包中的MouseListener接口繼承自java.util.EventListener接口，定義如下：

標記接口主要用于以下兩種場合。

（1）建立一個公共的父接口：如EventListener接口，這是由幾十個其他接口擴展的Java API，可以使用一個標記接口來建立一組接口的父接口。

（2）向一個類添加數(shù)據(jù)類型：實現(xiàn)標記接口的類不需要定義任何接口方法，但該類可通過多態(tài)性變成一個接口類型。