多继承是为了保证子类能够复用不同父类的方法,使用多继承会产生存在菱形继承的问题。C++
使用虚继承的方式解决菱形继承问题。在现实生活中,我们真正想要使用多继承的情况并不多。因此在Java
中并不允许多继承,但是Java
可以通过以多接口的方式实现多继承的功能,即一个子类复用多个父类的方法。当接口中有同名方法时,子类必须重写同名方法。
此外,如果一个类继承了多个父类,那么势必会继承大量的属性和方法,这样会导致类的接口变得十分庞大,难以理解和维护。当尝试去修改父类时,会影响到多个子类,增加了代码的耦合度。
在Java 8
以前,接口中是不能有方法的实现的。所以一个类同时实现多个接口的话,也不会出现C++
中的歧义问题。因为所有方法都没有方法体,真正的实现还是在子类中的。但是,Java 8中支持了默认函数(default method
),即接口中可以定义一个有方法体的方法了。
而又因为Java支持同时实现多个接口,这就相当于通过implements
就可以从多个接口中继承到多个方法了,但是,Java8
中为了避免菱形继承的问题,在实现的多个接口中如果有相同方法,就会要求该类必须重写这个方法。
扩展知识
菱形继承问题
假设我们有类B
和类C
,它们都继承了相同的类A
。另外我们还有类D
,类D
通过多重继承机制继承了类B
和类C
。
类A
/ \
/ \
类B 类C
\ /
\ /
类D
在上面这个结构中,类A
是基类,类B
和类C
是派生类,而类D
从类B
和类C
继承。如果类B
和类C
修改了来自A
的某个属性或方法,类D
在调用该属性或方法时,编译器或运行时环境就不清楚应该使用B
的版本还是C
的版本,形成了歧义。
C++中的菱形问题
下面是一个C++
中的菱形问题例子:
#include <iostream>
class A {
public:
virtual void doSomething() {
std::cout << "Doing something in A\n";
}
};
class B : public A {
public:
void doSomething() override {
std::cout << "Doing something in B\n";
}
};
class C : public A {
public:
void doSomething() override {
std::cout << "Doing something in C\n";
}
};
class D : public B, public C {
// D现在从两个父类B和C继承了doSomething()方法
};
int main() {
D d;
// d.doSomething(); // 这里会引发编译错误,因为编译器不知道应该调用B的doSomething还是C的doSomething
d.B::doSomething(); // 明确调用B中的doSomething
d.C::doSomething(); // 明确调用C中的doSomething
return 0;
}
在上面的代码中,类D
继承自类B
和类C
,而这两个类都覆盖了来自类A
的doSomething()
方法。在类D
的实例d
中调用doSomething()
方法时,编译器无法决定应该调用B
的实现还是C
的实现,因为存在二义性。为了解决这个问题,必须明确指出希望调用哪个父类的方法,如d.B::doSomething()
或d.C::doSomething()
。
在Java
中,这个问题通过不允许类多重继承来避免,但可以通过接口实现类似多重继承的效果。当然,如果接口中有相同的默认方法,也需要在实现类中明确指出使用哪个接口中的实现。
C++
为了解决菱形继承问题,又引入了虚继承。
在C++
中,虚继承是解决菱形问题(或钻石继承问题)的机制。通过虚继承,可以确保被多个类继承的基类只有一个共享的实例。
当两个类(如B
和C
)从同一个基类(如A
)虚继承时,无论这个基类被继承多少次,最终派生类(如D
)中只包含一个基类A
的实例。下面的C++
代码示例展示了虚继承的使用:
#include <iostream>
class A {
public:
int value;
A() : value(1) {}
};
class B : virtual public A {
// 使用virtual关键字进行虚继承
};
class C : virtual public A {
// 使用virtual关键字进行虚继承
};
class D : public B, public C {
// D从B和C继承,B和C都是从A虚继承而来
};
int main() {
D d;
d.value = 2; // 正确,无歧义,因为只有一个A的实例
std::cout << d.value << std::endl; // 输出2
B b;
b.value = 3; // 正确,无歧义
std::cout << b.value << std::endl; // 输出3
C c;
c.value = 4; // 正确,无歧义
std::cout << c.value << std::endl; // 输出4
return 0;
}
在这个例子中,class B
和class C
都是通过关键字virtual
从class A
那里继承而来的。这意味着在class D
中,不管通过B
还是C
的路径,A
只有一个实例,从而解决了因多个实例导致的歧义问题。
虚继承通常涉及到一个额外的开销,因为编译器需要维护虚基类的信息,以确保在运行时可以正确地构造和定位虚基类的实例。因此,只有在需要解决菱形问题时才应该使用虚继承。
因为支持多继承,引入了菱形继承问题,又因为要解决菱形继承问题,引入了虚继承。而经过分析,人们发现我们其实真正想要使用多继承的情况并不多。
所以,在 Java
中,不允许“声明多继承”,即一个类不允许继承多个父类。但是 Java
允许“实现多继承”,即一个类可以实现多个接口,一个接口也可以继承多个父接口。由于接口只允许有方法声明而不允许有方法实现(Java 8
之前),这就避免了 C++
中多继承的歧义问题。
Java 8中的多继承
Java
不支持多继承,但是是支持多实现的,也就是说,同一个类可以同时实现多个接口。
我们知道,在Java 8
以前,接口中是不能有方法的实现的。所以一个类同时实现多个接口的话,也不会出现C++
中的歧义问题。因为所有方法都没有方法体,真正的实现还是在子类中的。
那么问题来了。
Java 8
中支持了默认函数(default method
),即接口中可以定义一个有方法体的方法了。
public interface Pet {
public default void eat(){
System.out.println("Pet Is Eating");
}
}
而又因为Java
支持同时实现多个接口,这就相当于通过implements
就可以从多个接口中继承到多个方法了,这不就是变相支持了多继承么。
那么,Java
是怎么解决菱形继承问题的呢?我们再定义一个哺乳动物接口,也定义一个eat
方法。
public interface Mammal {
public default void eat(){
System.out.println("Mammal Is Eating");
}
}
然后定义一个Cat
,让他分别实现两个接口:
public class Cat implements Pet,Mammal {
}
这时候,编译期会报错:
error: class Cat inherits unrelated defaults for eat() from types Mammal and Pet
这时候,就要求Cat
类中,必须重写eat()
方法。
public class Cat implements Pet,Mammal {
@Override
public void eat() {
System.out.println("Cat Is Eating");
}
}
所以可以看到,Java
并没有帮我们解决多继承的歧义问题,而是把这个问题留给开发人员,通过重写方法的方式自己解决。
耦合度增加
由于Java不允许多重继承,在这里使用一个假设性的代码示例来解释如果Java允许多重继承,会发生什么情况。
假设我们有两个父类ClassA
和ClassB
,它们都有大量的方法和属性:
class ClassA {
public void methodA1() { /* ... */ }
public void methodA2() { /* ... */ }
// ... 更多方法
public int propertyA1;
public int propertyA2;
// ... 更多属性
}
class ClassB {
public void methodB1() { /* ... */ }
public void methodB2() { /* ... */ }
// ... 更多方法
public int propertyB1;
public int propertyB2;
// ... 更多属性
}
现在,我们创建一个类ClassC
,它假设性地从ClassA
和ClassB
中继承:
// 假设的多重继承,在Java中实际上是不允许的
class ClassC extends ClassA, ClassB {
public void methodC() {
// ClassC 的特定方法
}
}
在这个假设的多重继承场景中,ClassC
会继承来自ClassA
和ClassB
的所有方法和属性。这导致了几个问题:
-
接口庞大:
类ClassC
的接口变得非常庞大,它包含了ClassA
和ClassB
所有的方法和属性。这使得ClassC
非常复杂,难以理解和使用。 -
维护困难:
由于ClassC
依赖于两个父类,任何对ClassA
或ClassB
的修改都可能影响到ClassC
。如果父类中的方法签名发生了变化,或者某些属性被重命名或删除,ClassC
都需要做出相应的更新。 -
冲突解决:
如果ClassA
和ClassB
中有同名的方法或属性,ClassC
需要有一种机制来解决这些命名冲突。在C++中,这可以通过指定父类的作用域来解决,但Java避免这种问题的方式是根本不允许多重继承。
class ClassC extends ClassA, ClassB {
public void methodA1() {
// 需要解决方法冲突,决定使用 ClassA 的 methodA1
super(ClassA).methodA1();
}
// 假设这样的语法存在,在Java中实际上并不支持
}
这种情况下的代码耦合度非常高,因为ClassC
对两个父类都有依赖,修改任何一个父类都可能需要对ClassC
进行修改。这样的设计使得系统的可维护性降低,同时也降低了代码的稳定性。
在真实的Java
编程中,我们通常使用接口来实现类似多重继承的效果,并通过设计模式如组合(Composition
)和接口分离(Interface Segregation)来降低类的复杂性和耦合度。
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