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Java中如何恰当的表达“继承”与“扩展”的语义？

news 来源：原创 2024/5/10 11:25:01

”继承“是Java的面向对象学习过程中的大难题，原因有二：

”is-A“的关系本身就不好理解
Java中的extends“扩展”与面向对象中的“继承”inheritance不是一一对应的。

很多书里认为继承与扩展是一一对应的，但个人不这样认为。并且以我的观点，能更好的指导开发工作如何进行继承与扩展的程序设计和编码实现。本文尝试以通俗的语言陈述Java中如何恰当的表达“继承”与“扩展”的语义。

JDK版本：oracle java 1.8.0_102

继承和扩展的区别

继承是面向对象中的语义，表示“is—A”的关系。而扩展是Java语言中的语义，表示“从一个雷扩展出另一个类”，两个类之间不一定具有“is—A”的关系。

单纯从概念上陈述继承和扩展的区别可能难以理解。我们尝试以面向对象中的继承语义为参照标准，假设Java中的扩展方式也可以表示继承，那么：

类继承（implementation inheritance）是不恰当的。也就是说，用extends关键字在类之间表达的所谓“继承”（简称“A类继承”）不等于面向对象中的继承，不恰当。
接口继承（interface inheritance）是恰当的

，这分为两种情况：
- 用extends关键字在接口之间表达“继承”（简称“B类继承”）是恰当的。
- 用implements关键字在接口与类之间表达“继承”（简称“C类继承”）是恰当的。

PS：如果一种实现方式能够表达继承的语义，则称这种实现方式是恰当的。

B类继承和C类继承实现的是面向对象中的“继承”语义，自然恰当，无需解释。而A类继承实现的是Java语言中的“扩展”语义，即“用一个类扩展另一个类”，主要作用是简化代码的编写过程。

误区产生在A类继承上，它表达的是扩展的，但我们总把它当做继承来用。

如果现在就明白了继承与扩展的区别，你可以关闭文章了；如果还觉得有些糊涂，我们再用几个例子深入讲解扩展和A类继承。

扩展和A类继承

仍旧以继承的语义为参照标准。

为什么A类继承是不恰当的

A类继承可以且仅可以表达“扩展”的语义，这是Java层的语义，与面向对象无关。

假设我们希望自己实现一个HashSet，使它能够记录下总共添加过多少个元素，用A类继承实现：

public class RecordedHashSet1<E> extends HashSet<E> {private int addOpCnt = 0;public RecordedHashSet1() {super();}@Overridepublic boolean add(E e) {addOpCnt++;return super.add(e);}// 继承破坏了父类的封装性@Overridepublic boolean addAll(Collection<? extends E> c) {addOpCnt += c.size();return super.addAll(c);}public int getAddOpCnt() {return addOpCnt;}public static void main(String[] args) {RecordedHashSet1<Integer> set = new RecordedHashSet1<>();set.addAll(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6));System.out.println(set.getAddOpCnt());}
}

运行上述代码，猜猜会输出什么？

你可能以为是6。如果是这样，那么A类继承在这个例子上就是恰当的。

程序会输出12，但是很明显我们总共只添加过6次元素。在我们的设想中，RecordedHashSet1 “is a” HashSet，因此RecordedHashSet1的行为应该与HashSet保持一致。现在集合只添加过6次元素，记录添加次数的成员变量addOpCnt却等于12，行为不一致。

实际上，RecordedHashSet1 “is not a” HashSet，它仅是一个Set，扩展了HashSet。后面我们会看到更详细的解释。

为什么会产生这种奇观的行为呢？我们需要了解父类addAll()方法的实现：

// addAll 继承自 AbstractCollection
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {boolean modified = false;for (E e : c)if (add(e))modified = true;return modified;
}

在addAll()方法中，通过add()方法将每个元素添加到集合。所以addAll 6个元素时，RecordedHashSet1#addAll()会先将计数+6，再调用super.addAll()，而super.addAll()内部会再将计数+6。

小结

RecordedHashSet1覆写add()与addAll()的选择是正确的，错的是我们选择了A类继承。如果想用A类继承表达面向对象中的“继承”，那么子类必须了解父类的实现，破坏了父类的封装性，与继承语义不兼容。所以，A类继承能且仅能表达“扩展”，无法恰当的表达“继承”

如何同时恰当的表达扩展和继承的语义

A类继承只能表达扩展，好处是编码简单，坏处是破坏父类的封装性，从而无法表达继承的语义；B、C类继承只能表达继承。

使用接口+组合（或称“复合”，composition）（简称“D类继承”），可以同时表达子类与父类间的扩展关系，和子类与接口间的继承关系。

用D类继承改写上述需求

D类继承常被称为开闭原则：

面向组合开放，面向继承关闭。

在开闭原则中，对象的类型用接口定义，接口与接口之间符合B类继承，接口与子类之间符合C类继承。那么如何表达扩展类与被扩展类之间的扩展关系呢？

还是上面那个需求，用D类继承实现：

// 偷懒使用了Java7的JDK
public class RecordedHashSet2<E>extends AbstractSet<E>implements Set<E> {private Set<E> set = new HashSet<E>();private int addOpCnt = 0;public RecordedHashSet2() {super();}@Overridepublic Iterator<E> iterator() {return set.iterator();}@Overridepublic int size() {return set.size();}@Overridepublic boolean add(E e) {addOpCnt++;return set.add(e);}@Overridepublic boolean addAll(Collection<? extends E> c) {addOpCnt += c.size();return set.addAll(c);}public int getAddOpCnt() {return addOpCnt;}public static void main(String[] args) {RecordedHashSet2<Integer> set = new RecordedHashSet2<>();set.addAll(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6));System.out.println(set.getAddOpCnt());}
}

再次运行上述代码，正确输出6。

本质上，RecordedHashSet2 “is not a” HashSet，它仅仅是一个Set或RecordedSet，需要表达的是RecordedHashSet2类与Set接口之间的继承关系；同时，RecordedHashSet2增加了HashSet的功能，需要表达RecordedHashSet2与HashSet之间的扩展关系。D类继承恰到好处。