Thinking in Java(6-2) 繼承與 protected 關鍵字解析

在 Java 程式設計中，繼承（Inheritance）和封裝（Encapsulation）是兩個關鍵概念。本篇文章將深入探討繼承的機制，並詳細解釋 protected 關鍵字的作用。我們還會討論向上轉型（Upcasting）的概念，了解其在物件導向設計中的重要性。

繼承與 protected 關鍵字

在實際的開發中，我們經常希望類別的某些成員對外部世界隱藏，但仍然允許子類別訪問。這正是 protected 關鍵字的用途。

• protected 的意義：對類別的使用者來說，protected 成員是不可訪問的，類似於 private。但是，對於繼承自該類別的子類別，以及同一個封裝（package）中的其他類別，protected 成員是可訪問的。

雖然可以將欄位聲明為 protected，但最佳實踐是將欄位保持為 private，以維護封裝性。這樣可以保留更改底層實現的權利，而不影響子類別的行為。

以下是一個範例，展示了如何使用 protected 方法：

class Villain {
  private String name;
  protected void set(String nm) { name = nm; }
  public Villain(String name) { this.name = name; }
  public String toString() {
    return "I'm a Villain and my name is " + name;
  }
}	

public class Orc extends Villain {
  private int orcNumber;
  public Orc(String name, int orcNumber) {
    super(name);
    this.orcNumber = orcNumber;
  }
  public void change(String name, int orcNumber) {
    set(name); // Available because it's protected
    this.orcNumber = orcNumber;
  }
  public String toString() {
    return "Orc " + orcNumber + ": " + super.toString();
  }	
  public static void main(String[] args) {
    Orc orc = new Orc("Limburger", 12);
    print(orc);
    orc.change("Bob", 19);
    print(orc);
  }
} /* Output:
Orc 12: I'm a Villain and my name is Limburger
Orc 19: I'm a Villain and my name is Bob
*/

在這個範例中：

• Villain 類別有一個 protected 方法 set(String nm)，子類別 Orc 可以訪問並使用這個方法。
• Orc 的 change() 方法使用了 set() 來修改 name，並修改了自己的 orcNumber。
• Orc 的 toString() 方法覆寫了 Villain 的 toString()，並透過 super.toString() 調用父類別的方法。

這展示了 protected 如何允許子類別訪問父類別的成員，同時仍然對其他類別保持隱藏。

向上轉型（Upcasting）

繼承的核心在於子類別是父類別的一種形式，這使得子類別的物件可以被當作父類別的物件來使用。這種轉換被稱為向上轉型。

向上轉型的概念

• 定義：將子類別的引用賦值給父類別的引用，即把一個更專用的類型轉換為更通用的類型。
• 安全性：向上轉型是安全的，因為子類別包含了父類別的所有特性和行為。

以下是向上轉型的範例：

class Instrument {
  public void play() {}
  static void tune(Instrument i) {
    // ...
    i.play();
  }
}

// Wind objects are instruments
// because they have the same interface:
public class Wind extends Instrument {
  public static void main(String[] args) {
    Wind flute = new Wind();
    Instrument.tune(flute); // Upcasting
  }
}

在這個範例中：

• Wind 繼承自 Instrument，因此是一種 Instrument。
• 在 main 方法中，flute 是一個 Wind 物件，但我們將它作為參數傳遞給需要 Instrument 的 tune() 方法。
• 編譯器自動將 Wind 型別的引用轉換為 Instrument 型別，這就是向上轉型。

為何稱為向上轉型

在類別繼承的層次結構中，父類別通常被畫在上方，而子類別則在下方。因此，從子類別轉型為父類別，視覺上是向上的，故稱為向上轉型。

• 專用到通用：向上轉型是從更專用的類型轉換為更通用的類型。
• 方法可用性：向上轉型後，只能使用父類別中定義的方法和屬性，子類別特有的方法將不可用。

向上轉型的意義

• 多型的基礎：向上轉型是實現多型（Polymorphism）的基礎，允許我們以統一的方式處理不同的子類別。
• 接口的一致性：透過向上轉型，我們可以使用父類別的接口來操作子類別的物件，提高程式的彈性和可擴充性。

總結

在這篇文章中，我們深入探討了 Java 中繼承與 protected 關鍵字的使用，以及向上轉型的概念。

關鍵要點：

• protected 關鍵字：允許子類別和同一個封裝中的類別訪問，但對其他類別隱藏。
• 封裝性：盡可能將欄位聲明為 private，使用 protected 方法來提供子類別訪問的能力。
• 向上轉型：將子類別的引用賦值給父類別的引用，實現多型和接口一致性。
• 安全性：向上轉型是安全的，但可能會喪失子類別特有的方法。

透過理解這些概念，我們可以編寫出更安全、靈活且可維護的 Java 程式。在設計類別結構時，應該謹慎考慮成員的存取修飾符，並善用繼承與多型的特性來提高程式的品質。