В иерархиях конструкторов возникает интересный вопрос. Что происходит, если вызвать в конструкторе динамически связываемый метод конструируемого объекта?
В обычных методах представить происходящее нетрудно — динамически связываемый вызов обрабатывается во время выполнения, так как объект не знает, принадлежит ли этот вызов классу, в котором определен метод, или классу, производному от этого класса. Казалось бы, то же самое должно происходить и в конструкторах. Но ничего подобного. При вызове динамически связываемого метода в конструкторе используется переопределенное описание этого метода. Однако последствия такого вызова могут быть весьма неожиданными, и здесь могут крыться некоторые коварные ошибки.
По определению, задача конструктора — дать объекту жизнь (и это отнюдь не простая задача). Внутри любого конструктора объект может быть сформирован лишь частично — известно только то, что объекты базового класса были проини- циализированы. Если конструктор является лишь очередным шагом на пути построения объекта класса, производного от класса данного конструктора, «производные» части еще не были инициализированы на момент вызова текущего конструктора.
Однако динамически связываемый вызов может перейти во «внешнюю» часть иерархии, то есть к производным классам. Если он вызовет метод производного класса в конструкторе, это может привести к манипуляциям с неинициализированными данными — а это наверняка приведет к катастрофе. Следующий пример поясняет суть проблемы:
</spoiler> Метод Glyph.draw() изначально предназначен для переопределения в производных классах, что и происходит в RoundGlyph. Но конструктор Glyph вызывает этот метод, и в результате это приводит к вызову метода RoundGlyph.draw(), что вроде бы и предполагалось.
Однако из результатов работы программы видно — когда конструктор класса Glyph вызывает метод draw(), переменной radius еще не присвоено даже значение по умолчанию 1. Переменная равна 0. В итоге класс может не выполнить свою задачу, а вам придется долго всматриваться в код программы, чтобы определить причину неверного результата.
Порядок инициализации, описанный в предыдущем разделе, немного неполон, и именно здесь кроется ключ к этой загадке. На самом деле процесс инициализации проходит следующим образом:
· Память, выделенная под новый объект, заполняется двоичными нулями.
· Конструкторы базовых классов вызываются в описанном ранее порядке. В этот момент вызывается переопределенный метод draw() (да, перед вызовом конструктора класса RoundGlyph), где обнаруживается, что переменная radius равна нулю из-за первого этапа.
· Вызываются инициализаторы членов класса в порядке их определения.
· Исполняется тело конструктора производного класса.
У происходящего есть и положительная сторона — по крайней мере, данные инициализируются нулями (или тем, что понимается под нулевым значением для определенного типа данных), а не случайным «мусором» в памяти. Это относится и к ссылкам на объекты, внедренные в класс с помощью композиции. Они принимают особое значение null.
Если вы забудете инициализировать такую ссылку, то получите исключение во время выполнения программы. Остальные данные заполняются нулями, а это обычно легко заметить по выходным данным программы. С другой стороны, результат программы выглядит довольно жутко. Вроде бы все логично, а программ ведет себя загадочно и некорректно без малейших объяснений со стороны компилятора. (В языке C++ такие ситуации обрабатываются более рациональным способом.) Поиск подобных ошибок занимает много времени.
При написании конструктора руководствуйтесь следующим правилом: не пытайтесь сделать больше для того, чтобы привести объект в нужное состояние, и по возможности избегайте вызова каких-либо методов. Единственные методы, которые можно вызывать в конструкторе без опаски — неизменные (final) методы базового класса. (Сказанное относится и к закрытым (private) методам, поскольку они автоматически являются неизменными.) Такие методы невозможно переопределить, и поэтому они застрахованы от «сюрпризов».
Ковариантность возвращаемых типов
В Java SE5 появилась концепция ковариантности возвращаемых типов; этот термин означает, что переопределенный метод производного класса может вернуть тип, производный от типа, возвращаемого методом базового класса:
//: polymorphism/CovariantReturn.java
class Grain {
public String toString() { return "Grain"; }
}
class Wheat extends Grain {
public String toString() { return "Wheat"; }
}
class Mill {
Grain process() { return new Grain(); }
}
class WheatMill extends Mill {
Wheat process() { return new Wheat(); }
}
public class CovariantReturn {
public static void main(String[] args) {
Mill m = new Mill();
Grain g = m.process();
System.out.println(g);
m = new WheatMill();
g = m.process();
System.out.println(g);
}
}
<spoiler text="Output:">
Grain
Wheat
</spoiler> Главное отличие Java SE5 от предыдущих версий Java заключается в том, что старые версии заставляли переопределение process() возвращать Grain вместо Wheat, хотя тип Wheat, производный от Grain, является допустимым возвращаемым типом. Ковариантность возвращаемых типов позволяет вернуть более специализированный тип Wheat.
Разработка с наследованием
После знакомства с полиморфизмом может показаться, что его следует применять везде и всегда. Однако злоупотребление полиморфизмом ухудшит архитектуру ваших приложений.
Лучше для начала использовать композицию, пока вы точно не уверены в том, какой именно механизм следует выбрать. Композиция не стесняет разработку рамками иерархии наследования. К тому же механизм композиции более гибок, так как он позволяет динамически выбирать тип (а следовательно, и поведение), тогда как наследование требует, чтобы точный тип был известен уже во время компиляции. Следующий пример демонстрирует это:
//: polymorphism/Transmogrify.java
// Динамическое изменение поведения объекта
// с помощью композиции (шаблон проектирования «Состояние»)
import static net.mindview.util.Print.*;
class Actor {
public void act() {}
}
class HappyActor extends Actor {
public void act() { print("HappyActor"); }
}
class SadActor extends Actor {
public void act() { print("SadActor"); }
}
class Stage {
private Actor actor = new HappyActor();
public void change() { actor = new SadActor(); }
public void performPlay() { actor.act(); }
}
public class Transmogrify {
public static void main(String[] args) {
Stage stage = new Stage();
stage.performPlay();
stage.change();
stage.performPlay();
}
}
<spoiler text="Output:">
HappyActor
SadActor
</spoiler> Объект Stage содержит ссылку на объект Actor, которая инициализируется объектом HappyActor. Это значит, что метод performPlay() имеет определенное поведение. Но так как ссылку на объект можно заново присоединить к другому объекту во время выполнения программы, ссылке actor назначается объект SadActor, и после этого поведение метода performPlay() изменяется.
Таким образом значительно улучшается динамика поведения на стадии выполнения программы. С другой стороны, переключиться на другой способ наследования во время работы программы невозможно; иерархия наследования раз и навсегда определяется в процессе компиляции программы.
Нисходящее преобразование и динамическое определение типов
Так как при проведении восходящего преобразования (передвижение вверх по иерархии наследования) теряется информация, характерная для определенного типа, возникает естественное желание восстановить ее с помощью нисходящего преобразования. Впрочем, мы знаем, что восходящее преобразование абсолютно безопасно; базовый класс не может иметь «больший» интерфейс, чем производный класс, и поэтому любое сообщение, посланное базовому классу, гарантированно дойдет до получателя.
Но при использовании нисходящего преобразования вы не знаете достоверно, что фигура (например) в действительности является окружностью. С такой же вероятностью она может оказаться треугольником, прямоугольником или другим типом. Должен существовать какой-то механизм, гарантирующий правильность нисходящего преобразования; в противном случае вы можете случайно использовать неверный тип, послав ему сообщение, которое он не в состоянии принять. Это было бы небезопасно.
В некоторых языках (подобных C++) для проведения безопасного нисходящего преобразования типов необходимо провести специальную операцию, но в Java каждое преобразование контролируется! Поэтому, хотя внешне все выглядит как обычное приведение типов в круглых скобках, во время выполнения программы это преобразование проходит проверку на фактическое соответствие типу. Если типы не совпадают, происходит исключение ClassCastException. Процесс проверки типов во время выполнения программы называется динамическим определением типов (run-time type identification, RTTI). Следующий пример демонстрирует действие RTTI:
//: polymorphism/RTTI.java
// Нисходящее преобразование и динамическое определение типов (RTTI).
// {ThrowsException}
class Useful {
public void f() {}
public void g() {}
}
class MoreUseful extends Useful {
public void f() {}
public void g() {}
public void u() {}
public void v() {}
public void w() {}
}
public class RTTI {
public static void main(String[] args) {
Useful[] x = {
new Useful(),
new MoreUseful()
};
x[0].f();
x[1].g();
// Стадия компиляции- метод не найден в классе Useful:
Класс MoreUseful расширяет интерфейс класса Useful. Но благодаря наследованию он также может быть преобразован к типу Useful. Вы видите, как это происходит, при инициализации массива х в методе main(). Так как оба объекта в массиве являются производными отUseful, вы можете послать сообщения (вызвать методы) f() и g() для обоих объектов, но при попытке вызова метода u() (который существует только в классе MoreUseful) вы получите сообщение об ошибке компиляции.
Чтобы получить доступ к расширенному интерфейсу объекта MoreUseful, используйте нисходящее преобразование. Если тип указан правильно, все пройдет успешно; иначе произойдет исключение ClassCastException. Вам не понадобится писать дополнительный код для этого исключения, поскольку оно указывает на общую ошибку, которая может произойти в любом месте программы.
Впрочем, RTTI не сводится к простой проверке преобразований. Например, можно узнать, с каким типом вы имеете дело, прежде чем проводить нисходящее преобразование. Глава 11 полностью посвящена изучению различных аспектов динамического определения типовJava.
Резюме
Полиморфизм означает «многообразие форм». В объектно-ориентированном программировании базовый класс предоставляет общий интерфейс, а различные версии динамически связываемых методов — разные формы использования интерфейса.
Как было показано в этой главе, невозможно понять или создать примеры с использованием полиморфизма, не прибегнув к абстракции данных и наследованию. Полиморфизм — это возможность языка, которая не может рассматриваться изолированно; она работает только согласованно, как часть «общей картины» взаимоотношений классов.
Чтобы эффективно использовать полиморфизм — а значит, все объектно- ориентированные приемы — в своих программах, необходимо расширить свои представления о программировании, чтобы они охватывали не только члены и сообщения отдельного класса, но и общие аспекты классов, их взаимоотношения. Хотя это потребует значительных усилий, результат стоит того. Наградой станет ускорение разработки программ, улучшение структуры кода, расширяемые программы и сокращение усилий по сопровождению кода.
