7.7 构建器和多形性

同往常一样,构建器与其他种类的方法是有区别的。在涉及到多形性的问题后,这种方法依然成立。尽管构建器并不具有多形性(即便可以使用一种“虚拟构建器”——将在第11章介绍),但仍然非常有必要理解构建器如何在复杂的分级结构中以及随同多形性使用。这一理解将有助于大家避免陷入一些令人不快的纠纷。

7.7.1 构建器的调用顺序

构建器调用的顺序已在第4章进行了简要说明,但那是在继承和多形性问题引入之前说的话。

用于基础类的构建器肯定在一个衍生类的构建器中调用,而且逐渐向上链接,使每个基础类使用的构建器都能得到调用。之所以要这样做,是由于构建器负有一项特殊任务:检查对象是否得到了正确的构建。一个衍生类只能访问它自己的成员,不能访问基础类的成员(这些成员通常都具有private属性)。只有基础类的构建器在初始化自己的元素时才知道正确的方法以及拥有适当的权限。所以,必须令所有构建器都得到调用,否则整个对象的构建就可能不正确。那正是编译器为什么要强迫对衍生类的每个部分进行构建器调用的原因。在衍生类的构建器主体中,若我们没有明确指定对一个基础类构建器的调用,它就会“默默”地调用默认构建器。如果不存在默认构建器,编译器就会报告一个错误(若某个类没有构建器,编译器会自动组织一个默认构建器)。

下面让我们看看一个例子,它展示了按构建顺序进行合成、继承以及多形性的效果:

//: Sandwich.java
// Order of constructor calls

class Meal {
  Meal() { System.out.println("Meal()"); }
}

class Bread {
  Bread() { System.out.println("Bread()"); }
}

class Cheese {
  Cheese() { System.out.println("Cheese()"); }
}

class Lettuce {
  Lettuce() { System.out.println("Lettuce()"); }
}

class Lunch extends Meal {
  Lunch() { System.out.println("Lunch()");}
}

class PortableLunch extends Lunch {
  PortableLunch() {
    System.out.println("PortableLunch()");
  }
}

class Sandwich extends PortableLunch {
  Bread b = new Bread();
  Cheese c = new Cheese();
  Lettuce l = new Lettuce();
  Sandwich() { 
    System.out.println("Sandwich()");
  }
  public static void main(String[] args) {
    new Sandwich();
  }
} ///:~

这个例子在其他类的外部创建了一个复杂的类,而且每个类都有一个构建器对自己进行了宣布。其中最重要的类是Sandwich,它反映出了三个级别的继承(若将从Object的默认继承算在内,就是四级)以及三个成员对象。在main()里创建了一个Sandwich对象后,输出结果如下:

Meal()
Lunch()
PortableLunch()
Bread()
Cheese()
Lettuce()
Sandwich()

这意味着对于一个复杂的对象,构建器的调用遵照下面的顺序:

(1) 调用基础类构建器。这个步骤会不断重复下去,首先得到构建的是分级结构的根部,然后是下一个衍生类,等等。直到抵达最深一层的衍生类。

(2) 按声明顺序调用成员初始化模块。

(3) 调用衍生构建器的主体。

构建器调用的顺序是非常重要的。进行继承时,我们知道关于基础类的一切,并且能访问基础类的任何public和protected成员。这意味着当我们在衍生类的时候,必须能假定基础类的所有成员都是有效的。采用一种标准方法,构建行动已经进行,所以对象所有部分的成员均已得到构建。但在构建器内部,必须保证使用的所有成员都已构建。为达到这个要求,唯一的办法就是首先调用基础类构建器。然后在进入衍生类构建器以后,我们在基础类能够访问的所有成员都已得到初始化。此外,所有成员对象(亦即通过合成方法置于类内的对象)在类内进行定义的时候(比如上例中的b,c和l),由于我们应尽可能地对它们进行初始化,所以也应保证构建器内部的所有成员均为有效。若坚持按这一规则行事,会有助于我们确定所有基础类成员以及当前对象的成员对象均已获得正确的初始化。但不幸的是,这种做法并不适用于所有情况,这将在下一节具体说明。

7.7.2 继承和finalize()

通过“合成”方法创建新类时,永远不必担心对那个类的成员对象的收尾工作。每个成员都是一个独立的对象,所以会得到正常的垃圾收集以及收尾处理——无论它是不是不自己某个类一个成员。但在进行初始化的时候,必须覆盖衍生类中的finalize()方法——如果已经设计了某个特殊的清除进程,要求它必须作为垃圾收集的一部分进行。覆盖衍生类的finalize()时,务必记住调用finalize()的基础类版本。否则,基础类的初始化根本不会发生。下面这个例子便是明证:

//: Frog.java
// Testing finalize with inheritance

class DoBaseFinalization {
  public static boolean flag = false;
}

class Characteristic {
  String s;
  Characteristic(String c) {
    s = c;
    System.out.println(
      "Creating Characteristic " + s);
  }
  protected void finalize() {
    System.out.println(
      "finalizing Characteristic " + s);
  }
}

class LivingCreature {
  Characteristic p = 
    new Characteristic("is alive");
  LivingCreature() {
    System.out.println("LivingCreature()");
  }
  protected void finalize() {
    System.out.println(
      "LivingCreature finalize");
    // Call base-class version LAST!
    if(DoBaseFinalization.flag)
      try {
        super.finalize();
      } catch(Throwable t) {}
  }
}

class Animal extends LivingCreature {
  Characteristic p = 
    new Characteristic("has heart");
  Animal() {
    System.out.println("Animal()");
  }
  protected void finalize() {
    System.out.println("Animal finalize");
    if(DoBaseFinalization.flag)
      try {
        super.finalize();
      } catch(Throwable t) {}
  }
}

class Amphibian extends Animal {
  Characteristic p = 
    new Characteristic("can live in water");
  Amphibian() {
    System.out.println("Amphibian()");
  }
  protected void finalize() {
    System.out.println("Amphibian finalize");
    if(DoBaseFinalization.flag)
      try {
        super.finalize();
      } catch(Throwable t) {}
  }
}

public class Frog extends Amphibian {
  Frog() {
    System.out.println("Frog()");
  }
  protected void finalize() {
    System.out.println("Frog finalize");
    if(DoBaseFinalization.flag)
      try {
        super.finalize();
      } catch(Throwable t) {}
  }
  public static void main(String[] args) {
    if(args.length != 0 && 
       args[0].equals("finalize"))
       DoBaseFinalization.flag = true;
    else
      System.out.println("not finalizing bases");
    new Frog(); // Instantly becomes garbage
    System.out.println("bye!");
    // Must do this to guarantee that all 
    // finalizers will be called:
    System.runFinalizersOnExit(true);
  }
} ///:~

DoBasefinalization类只是简单地容纳了一个标志,向分级结构中的每个类指出是否应调用super.finalize()。这个标志的设置建立在命令行参数的基础上,所以能够在进行和不进行基础类收尾工作的前提下查看行为。 分级结构中的每个类也包含了Characteristic类的一个成员对象。大家可以看到,无论是否调用了基础类收尾模块,Characteristic成员对象都肯定会得到收尾(清除)处理。

每个被覆盖的finalize()至少要拥有对protected成员的访问权力,因为Object类中的finalize()方法具有protected属性,而编译器不允许我们在继承过程中消除访问权限(“友好的”比“受到保护的”具有更小的访问权限)。

在Frog.main()中,DoBaseFinalization标志会得到配置,而且会创建单独一个Frog对象。请记住垃圾收集(特别是收尾工作)可能不会针对任何特定的对象发生,所以为了强制采取这一行动,System.runFinalizersOnExit(true)添加了额外的开销,以保证收尾工作的正常进行。若没有基础类初始化,则输出结果是:

not finalizing bases
Creating Characteristic is alive
LivingCreature()
Creating Characteristic has heart
Animal()
Creating Characteristic can live in water
Amphibian()
Frog()
bye!
Frog finalize
finalizing Characteristic is alive
finalizing Characteristic has heart
finalizing Characteristic can live in water

从中可以看出确实没有为基础类Frog调用收尾模块。但假如在命令行加入“finalize”自变量,则会获得下述结果:

Creating Characteristic is alive
LivingCreature()
Creating Characteristic has heart
Animal()
Creating Characteristic can live in water
Amphibian()
Frog()
bye!
Frog finalize
Amphibian finalize
Animal finalize
LivingCreature finalize
finalizing Characteristic is alive
finalizing Characteristic has heart
finalizing Characteristic can live in water

尽管成员对象按照与它们创建时相同的顺序进行收尾,但从技术角度说,并没有指定对象收尾的顺序。但对于基础类,我们可对收尾的顺序进行控制。采用的最佳顺序正是在这里采用的顺序,它与初始化顺序正好相反。按照与C++中用于“破坏器”相同的形式,我们应该首先执行衍生类的收尾,再是基础类的收尾。这是由于衍生类的收尾可能调用基础类中相同的方法,要求基础类组件仍然处于活动状态。因此,必须提前将它们清除(破坏)。

7.7.3 构建器内部的多形性方法的行为

构建器调用的分级结构(顺序)为我们带来了一个有趣的问题,或者说让我们进入了一种进退两难的局面。若当前位于一个构建器的内部,同时调用准备构建的那个对象的一个动态绑定方法,那么会出现什么情况呢?在原始的方法内部,我们完全可以想象会发生什么——动态绑定的调用会在运行期间进行解析,因为对象不知道它到底从属于方法所在的那个类,还是从属于从它衍生出来的某些类。为保持一致性,大家也许会认为这应该在构建器内部发生。 但实际情况并非完全如此。若调用构建器内部一个动态绑定的方法,会使用那个方法被覆盖的定义。然而,产生的效果可能并不如我们所愿,而且可能造成一些难于发现的程序错误。

从概念上讲,构建器的职责是让对象实际进入存在状态。在任何构建器内部,整个对象可能只是得到部分组织——我们只知道基础类对象已得到初始化,但却不知道哪些类已经继承。然而,一个动态绑定的方法调用却会在分级结构里“向前”或者“向外”前进。它调用位于衍生类里的一个方法。如果在构建器内部做这件事情,那么对于调用的方法,它要操纵的成员可能尚未得到正确的初始化——这显然不是我们所希望的。 通过观察下面这个例子,这个问题便会昭然若揭:

//: PolyConstructors.java
// Constructors and polymorphism
// don't produce what you might expect.

abstract class Glyph {
  abstract void draw();
  Glyph() {
    System.out.println("Glyph() before draw()");
    draw(); 
    System.out.println("Glyph() after draw()");
  }
}

class RoundGlyph extends Glyph {
  int radius = 1;
  RoundGlyph(int r) {
    radius = r;
    System.out.println(
      "RoundGlyph.RoundGlyph(), radius = "
      + radius);
  }
  void draw() { 
    System.out.println(
      "RoundGlyph.draw(), radius = " + radius);
  }
}

public class PolyConstructors {
  public static void main(String[] args) {
    new RoundGlyph(5);
  }
} ///:~

在Glyph中,draw()方法是“抽象的”(abstract),所以它可以被其他方法覆盖。事实上,我们在RoundGlyph中不得不对其进行覆盖。但Glyph构建器会调用这个方法,而且调用会在RoundGlyph.draw()中止,这看起来似乎是有意的。但请看看输出结果:

Glyph() before draw()
RoundGlyph.draw(), radius = 0
Glyph() after draw()
RoundGlyph.RoundGlyph(), radius = 5

当Glyph的构建器调用draw()时,radius的值甚至不是默认的初始值1,而是0。这可能是由于一个点号或者屏幕上根本什么都没有画而造成的。这样就不得不开始查找程序中的错误,试着找出程序不能工作的原因。 前一节讲述的初始化顺序并不十分完整,而那是解决问题的关键所在。初始化的实际过程是这样的:

(1) 在采取其他任何操作之前,为对象分配的存储空间初始化成二进制零。

(2) 就象前面叙述的那样,调用基础类构建器。此时,被覆盖的draw()方法会得到调用(的确是在RoundGlyph构建器调用之前),此时会发现radius的值为0,这是由于步骤(1)造成的。

(3) 按照原先声明的顺序调用成员初始化代码。

(4) 调用衍生类构建器的主体。

采取这些操作要求有一个前提,那就是所有东西都至少要初始化成零(或者某些特殊数据类型与“零”等价的值),而不是仅仅留作垃圾。其中包括通过“合成”技术嵌入一个类内部的对象句柄。如果假若忘记初始化那个句柄,就会在运行期间出现违例事件。其他所有东西都会变成零,这在观看结果时通常是一个严重的警告信号。

在另一方面,应对这个程序的结果提高警惕。从逻辑的角度说,我们似乎已进行了无懈可击的设计,所以它的错误行为令人非常不可思议。而且没有从编译器那里收到任何报错信息(C++在这种情况下会表现出更合理的行为)。象这样的错误会很轻易地被人忽略,而且要花很长的时间才能找出。

因此,设计构建器时一个特别有效的规则是:用尽可能简单的方法使对象进入就绪状态;如果可能,避免调用任何方法。在构建器内唯一能够安全调用的是在基础类中具有final属性的那些方法(也适用于private方法,它们自动具有final属性)。这些方法不能被覆盖,所以不会出现上述潜在的问题。

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