5.3　原理学习：Java的对象与类、接口实现与包机制

5.3.1　Java的对象与类

1. 对象与类的定义

（1）Java的对象。现实世界有很多对象，如猫、狗等，这些对象都有自己的状态和行为，如猫的状态有名字、品种和颜色等，猫的行为有叫、摇尾巴和跑等。

软件对象也有状态和行为。软件对象的状态就是属性，行为可以通过方法来实现。在软件开发中，方法可以改变对象内部的状态，对象之间的相互调用也是通过方法来完成的。

（2）Java的类。类可以看成创建对象的模板，一个类通常包含以下类型变量：

① 局部变量：在方法、构造函数或者语句块中定义的变量被称为局部变量，变量声明和初始化都是在方法中实现的，方法结束后，局部变量会被自动销毁。

② 成员变量：成员变量是定义在类中、方法外的变量。成员变量在创建对象时被实例化，成员变量可以被类中方法、构造函数和特定类的语句块访问。

③ 类变量：类变量在类中、方法外声明，必须声明为静态类型。

（3）定义构造函数。每个类都有构造函数。如果没有显式地为类定义构造函数，则Java编译器会为该类提供一个默认构造函数。在创建一个对象时，至少要调用一个构造函数。构造函数的名称必须与类名相同，一个类可以有多个构造函数。下面是一个构造函数的示例。

（4）创建对象。对象是根据类创建的，在Java中，可以使用关键字new来创建一个对象。创建对象需要以下三步：

① 声明：声明一个对象，包括对象名称和对象类型。

② 实例化：使用new创建一个对象。

③ 初始化：在使用new创建对象时，会调用构造函数来初始化对象。

下面是一个创建对象的示例。

（5）访问变量和方法。在Java中，可以通过已创建的对象来访问类中的变量和方法，如下所示。

（6）源文件的声明规则。如果要在一个源文件中定义多个类，并且还有import语句和package语句，则应遵守以下声明规则：

① 一个源文件中只能有一个public类。

② 一个源文件可以有多个非public类。

③ 源文件的名称应该和public类的名称保持一致。例如，若源文件中public类的名称是Dog，则源文件应该命名为Dog.java。

④ 如果一个类定义在某个包中，则package语句应该在源文件的首行。

⑤ 如果源文件包含import语句，则该语句应该放在package语句和类定义之间；如果没有package语句，则import语句应该放在源文件中最前面。

⑥ import语句和package语句在源文件中定义的所有类都有效。

（7）Java包。将功能相似或相关的类和接口放在同一个包中，可以方便类和接口的查找及使用，对类和接口进行分类。当开发Java程序时，可能会涉及很多类和接口，因此有必要对类和接口进行分类。

（8）import语句。import语句用来提供一个合理的目录，使得编译器可以找到某个类。例如，采用下面的语句可以载入Java安装目录“/java/io”下的所有类。

2. Java常用类介绍

（1）Java类库的结构。类库就是Java API，是系统提供的标准类的集合。Java类库中的类和接口大多封装在特定的包里，每个包具有自己的功能。表5.1列出了Java中的常用包，其中，包名后面带“.*”的表示其中包括一些相关的包，通过查阅Java技术文档可以了解更多的类库。

除了java.lang，其他的包都需要用import语句导入之后才能使用。

（2）基本数据类型的类。java.lang不仅包含了Object类，java.lang.Object类是Java中整个类层次结构的根节点，还定义了基本数据类型的类，如Boolean、Character、Byte、Integer、Short、Long、Float和Double等，这些类支持基本数据类型的转换，如表5.2所示。

（3）String类和StringBuffer类。Java字符串是由String类和StringBuffer类来处理的。Java中的字符串属于String类，虽然可以用其他方法表示字符串，但使用String类作为字符串的标准格式，Java编译器可以把字符串转换成String对象。如果需要进行大量的字符串操作，就可以使用StringBuffer类或字符数组。

StringBuffer类与String类相似，它具有String类的很多功能。StringBuffer对象可以在缓冲区内被修改，如增加、替换字符或子字符串。在完成缓冲字符串数据操作后，可以通过StringBuffer.toString方法或String类的构造函数将字符串转换成标准字符串格式。

（4）System类。System类是一个特殊类，它是一个公共最终类，不能被继承，也不能被实例化，即不能创建System对象。System类功能强大，与Java运行时一起可以访问许多有用的系统功能。System类是保存静态方法和变量的集合，标准的输入、输出和Java运行时的错误输出都存储在变量in、out和err中。System类中所有的变量和方法都是静态的，使用时以System作为前缀，如“System.变量名”和“System.方法名”。

（5）Math类。Math类提供了用于基本数学运算的属性和方法。

（6）Vector类。当创建过大的数组时，会造成空间的浪费。Java中的java.util包提供了Vector类，通过该类可以根据需要创建动态数组。另外，Vector类还提供了一些有用的方法，如增加和删除元素的方法。

（7）Stack类。Stack类是Vector类的一个子类，用于实现后进先出的堆栈。Stack类定义了创建空堆栈的构造函数，不仅包括由Vector类定义的所有方法，还增加了几种它自己定义的方法。

（8）ArrayList类。ArrayList是一个容量能够动态变化的动态数组，它继承自AbstractList类，实现了List、RandomAccess、Cloneable、java.io.Serializable等接口。

ArrayList类适合随机访问元素，但在数组中插入和删除元素的效率较低。由于ArrayList类不是线程安全的，因此该类适合在单线程中使用，而在多线程中则使用Vector类或者CopyOnWriteArrayList类。

（9）HashMap类和HashSet类。HashMap类和HashSet类是Java集合框架（Collection Framework）中的两个重要成员，HashMap是Map接口的常用实现类，HashSet是Set接口的常用实现类。

3. 继承

继承允许创建不同等级的类，子类可以继承父类的特征和行为，从而使得子类的对象（实例）具有父类的实例域和方法。子类也可以从父类继承方法，使得子类与父类具有相同的行为。

Java可以通过关键字extends来声明一个类是从另外一个类继承而来的，格式如下：

（1）继承的特性。

① 子类拥有父类非private的属性和方法。

② 子类可以拥有自己的属性和方法，即子类可以对父类进行扩展。

③ 子类可以用自己的方式实现父类的方法。

④ Java的继承是单继承，但是可以多重继承。单继承是指一个子类只能继承一个父类；多重继承是指多层次的继承，如B类继承A类、C类继承B类，按照关系来说，B类是C类的父类，A类是B类的父类。

⑤ 继承可以提高类之间的耦合性，但耦合度高就会造成代码之间的联系变得紧密，使独立性变差。

（2）继承的关键字。Java可以通过关键字extends和implements来实现继承。在Java中，所有的类都继承自Object，如果一个类没有使用继承的两个关键字，则默认为继承自Object类。

① extends关键字。类的继承是单一继承，一个子类只能拥有一个父类，所以extends只能继承自一个类。

② implements关键字。使用implements关键字可以变相地使Java具有多继承的特性，适用于继承接口的情况，可以同时继承多个接口。

③ super与this关键字。通过super关键字可以访问父类成员，用来引用当前对象的父类；this关键字用于指向自己的引用。

④ final关键字。使用final关键字声明的类是不能被继承的，为最终类；使用final关键字修饰的类的方法不能被该类的子类覆写；定义为final的实例变量不能被修改；被声明为final类，其方法将会被自动声明为final，但实例变量并不是final。

（3）构造函数。子类不能继承父类的构造函数。如果父类的构造函数带有参数，则必须在子类的构造函数中显式地通过super关键字调用父类的构造函数并配以适当的参数列表；如果父类的构造函数没有参数，则在子类的构造函数中通过super关键字调用父类构造函数不是必需的，如果没有使用super关键字，系统会自动调用父类的无参构造函数。

4. 封装

封装是一种将抽象性函数接口的实现细节部分包装、隐藏起来的方法。适当的封装可以让代码变得更容易理解与维护。

（1）封装的优点。

① 良好的封装能够减少耦合。

② 可以对成员变量进行更精确的控制。

③ 可以隐藏实现细节。

（2）实现Java封装的步骤

① 通过修改属性的可见性来限制对属性的访问（一般限制为private）。例如：

② 对每个属性提供对外的公共方法，也就是创建一对赋/取值方法，用于对私有属性进行访问。例如：

5.3.2　Java的接口

1. 接口的定义

接口是一个抽象类型，是抽象方法的集合，接口通常用interface关键字来声明。一个类可以通过继承接口的方式来继承接口的抽象方法。

接口并不是类，编写接口的方式和类很相似，但是它们属于不同的概念。类描述的是对象的属性和方法，接口则包含类要实现的方法。除非实现接口的类是抽象类，否则该类要定义接口中的所有方法。接口无法被实例化，但是可以被实现。在类实现接口时，必须实现接口内所描述的所有方法，否则就必须声明为抽象类。另外，在Java中，接口类型可用来声明一个变量。

2. 接口的声明

interface关键字用来声明一个接口，格式如下：

接口具有以下特性：

（1）接口是隐式抽象的，当声明一个接口时，不必使用abstract关键字。

（2）接口中每一个方法也是隐式抽象的，在声明接口中的方法时同样也不必使用abstract关键字。

（3）接口中的方法都是公有的。

3. 接口的实现

当类实现接口时，类要实现接口中所有的方法，否则该类必须声明为抽象类。类使用implements关键字实现接口，在类声明中，implements关键字应放在class声明后面。实现一个接口的格式如下：

例如：

在覆写接口中声明的方法时，需要注意以下规则：

① 类在实现接口的方法时，不能抛出强制性异常，只能在接口中或者继承接口的抽象类中抛出该强制性异常。

② 类在覆写方法时要保持方法名的一致，并且应该保持相同或者相兼容的返回值类型。

③ 如果实现接口的类是抽象类，就没必要实现该接口的方法。

在实现接口时，也要注意以下规则：

① 一个类可以同时实现多个接口。

② 一个类只能继承一个类，但能实现多个接口。

③ 一个接口能继承另一个接口。

4. 接口的继承

一个接口能继承另一个接口，接口的继承使用extends关键字。下面的Animal接口被Bird和Fish接口继承：

Bird接口声明了1个方法，从Animal接口继承了2个方法，这样在实现Bird接口的类时需要实现3个方法。

5. 接口的多继承

类的多继承是不合法的，但接口允许多继承。在接口的多继承中，extends关键字只需要使用一次，在其后跟着继承接口即可。例如：

上述语句定义的子接口是合法的。与类不同的是，接口允许多继承。

6. 标记接口

最常用的继承接口是不包含任何方法的接口，不包含任何方法的接口称为标记接口。标记接口是一种不包含任何方法和属性的接口，仅仅表明它的类属于一个特定的类型。标记接口的作用是给某个对象打个“标”，使对象拥有某个或某些特权。例如，java.awt.event包中的MouseListener接口继承自java.util.EventListener接口，定义如下：

标记接口主要用于以下两种场合。

（1）建立一个公共的父接口：如EventListener接口，这是由几十个其他接口扩展的Java API，可以使用一个标记接口来建立一组接口的父接口。

（2）向一个类添加数据类型：实现标记接口的类不需要定义任何接口方法，但该类可通过多态性变成一个接口类型。