W9. Наследование (inheritance), полиморфизм (polymorphism), класс Object

Автор

Eugene Zouev, Munir Makhmutov

Дата публикации

2 ноября 2025 г.

Quiz | Flashcards

1. Краткое содержание

1.1 Три опоры объектно-ориентированного программирования (OOP)

OOP опирается на три базовых понятия (cornerstones), которые помогают справляться со сложностью ПО.

1.1.1 Encapsulation

Encapsulation — объединение данных (attributes) и методов, работающих с ними, в одном class; внутреннее состояние скрыто, доступ через методы объекта. Первая опора; реализуется модификаторами public / private и т.д.

1.1.2 Inheritance

Inheritance — новый класс (subclass / derived class) получает свойства и поведение существующего (superclass / base class). Связь «is a»: FamilyCar is a Personal car is a Car. Повторное использование кода и иерархия. Вторая опора.

1.1.3 Polymorphism

Polymorphism («много форм») — способность объекта вести себя по-разному в общем интерфейсе: один вызов метода базового типа (draw()) для разных фигур выполняет нужную реализацию. Третья опора.

1.2 Наследование подробнее

1.2.1 Taxonomy

Наследование отражает taxonomy (классификацию): как Lion — вид Animal, так и в коде Lion extends Animal. Общие черты (hasEyes) задаются в Animal, специфичные (maneSize) — в Lion.

1.2.2 «is a» и «has a»

Inheritance («is a»): PersonalCar is a Car — ключевое слово extends в Java.
Delegation / aggregation («has a»): Car has an Engine — поле типа Engine; у подклассов Car двигатель тоже доступен через композицию, а не как замена наследования.

1.2.3 Single vs. multiple inheritance

Single inheritance: один суперкласс — проще, нет «diamond problem»; Java, C#, Scala; множественное наследование типов частично заменяется interfaces.
Multiple inheritance: несколько суперклассов — мощнее и сложнее (C++, Eiffel, Python).

1.2.4 Терминология Java

class A extends B:

A inherits from B;
A — subclass B, B — superclass для A;
child / parent — разговорные синонимы.

В Java стандартны subclass / superclass; в C++ чаще derived / base class.

1.2.5 Notion «subobject»

У экземпляра подкласса внутри есть полноценный subobject суперкласса: при class Derived extends Base в new Derived() входит и часть Base — отсюда доступ к полям базы.

1.3 Доступ к членам при наследовании

1.3.1 Правила модификаторов

private — только свой класс, в подклассах напрямую недоступно.
protected — класс, пакет и subclasses (в т.ч. в других пакетах).
package-private — без модификатора: весь пакет.
public — откуда угодно.

1.3.2 Overriding vs. hiding

Hiding (поля): одноимённое поле подкласса скрывает поле базы; к полю базы — super.myField.
Method overriding: та же сигнатура метода в подклассе — переопределение; при вызове на объекте подкласса выполняется версия подкласса (база полиморфизма).

1.4 Полиморфизм подробнее

1.4.1 Static и dynamic type

Static type — тип ссылки в объявлении, фиксирован при компиляции.
Dynamic type — фактический класс объекта в памяти, может меняться при присваивании.

// Shape is the static type of the 'figure' variable
Shape figure; 

// The dynamic type of 'figure' is now Circle
figure = new Circle();

Присвоение Circle ссылке типа Shape — upcasting.

1.4.2 Late binding и dynamic dispatch

Полиморфизм опирается на late binding / dynamic dispatch:

Вызов virtual method разрешается по dynamic type объекта.

В Java виртуальными по умолчанию являются методы, не помеченные final, static, private. Вызов figure.draw() идёт в реализацию фактического класса (Circle, Rectangle, …).

Shape[] figures = new Shape[] {
    new Circle(),
    new Rectangle()
};

for (Shape fig : figures) {
    // Dynamic dispatch happens here!
    // If fig is a Circle, Circle's draw() is called.
    // If fig is a Rectangle, Rectangle's draw() is called.
    fig.draw();
}

1.4.3 Зачем полиморфизм

Расширяемость: новый Triangle добавляется без изменения цикла отрисовки; библиотеки фигур и действий слабее связаны, чем в процедурном коде со switch.

1.5 Класс `Object` в Java

1.5.1 Корень иерархии

Object — корень иерархии классов; любой класс прямо или косвенно наследует Object. Если extends не указан, наследование от Object неявное.

1.5.2 Часто используемые методы `Object`

Метод	Описание
`public final Class getClass()`	Объект `Class` — runtime class данного объекта.
`public int hashCode()`	Хэш-код для хэш-таблиц и т.п.
`public boolean equals(Object obj)`	Сравнение на равенство; по умолчанию — сравнение ссылок (`==`).
`protected Object clone() throws CloneNotSupportedException`	Копия объекта (если поддерживается).
`public String toString()`	Строковое представление; по умолчанию имя класса и хэш.
`public final void notify()`	Пробудить один поток на мониторе объекта.
`public final void notifyAll()`	Пробудить все ожидающие потоки.
`public final void wait(...)`	Ожидание на мониторе до `notify` / `notifyAll`.
`protected void finalize() throws Throwable`	Вызывался GC при уничтожении объекта; устарел с JDK 9.

2. Определения

Class: шаблон объекта: атрибуты и методы.
Object: экземпляр класса.
Encapsulation: данные и методы в классе + сокрытие состояния.
Inheritance: подкласс наследует суперкласс; связь «is a».
Polymorphism: разные классы по-разному отвечают на одно и то же сообщение (вызов метода).
Superclass: класс-предок (base / parent).
Subclass: класс-наследник (derived / child).
Method overriding: та же сигнатура, новая реализация в подклассе.
Hiding: поле подкласса скрывает одноимённое поле базы.
Static type: тип ссылки в коде на этапе компиляции.
Dynamic type: фактический класс объекта во время выполнения.
Upcasting: трактовать объект подкласса как суперкласс.
Late binding (dynamic dispatch): выбор реализации метода по dynamic type во время выполнения.
Object class: корень иерархии Java.
protected: доступ в пакете и у наследников.
super: доступ к членам непосредственного суперкласса.

3. Примеры

3.1. Класс Animal и наследники (Лаба 1, Пример 1)

Создайте класс Animal с полями name, height, weight, color и методами eat, sleep, makeSound. Добавьте классы cow, cat, dog, переопределяющие поведение. Используйте inheritance, чтобы не дублировать код.

Нажмите, чтобы увидеть решение

// Animal.java
// The abstract Animal class defines common properties and behaviors for all animals.
abstract class Animal {
    // Basic properties of an animal
    private String name;
    private double height; // in meters
    private double weight; // in kilograms
    private String color;

    // Constructor to initialize an Animal object
    public Animal(String name, double height, double weight, String color) {
        this.name = name;
        this.height = height;
        this.weight = weight;
        this.color = color;
    }

    // Getters for properties
    public String getName() {
        return name;
    }

    public double getHeight() {
        return height;
    }

    public double getWeight() {
        return weight;
    }

    public String getColor() {
        return color;
    }

    // Basic operations (methods) common to all animals
    public void eat() {
        System.out.println(name + " is eating.");
    }

    public void sleep() {
        System.out.println(name + " is sleeping.");
    }

    // Abstract method for making sound, must be implemented by subclasses
    public abstract void makeSound();

    // toString method for easy printing of Animal details
    @Override
    public String toString() {
        return "Name: " + name + ", Height: " + height + "m, Weight: " + weight + "kg, Color: " + color;
    }
}

// Cow.java
// The Cow class extends Animal, inheriting its properties and behaviors.
class Cow extends Animal {
    // Constructor for Cow, calling the superclass constructor
    public Cow(String name, double height, double weight, String color) {
        super(name, height, weight, color);
    }

    // Overriding the makeSound method for a Cow
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println(getName() + " says Moo!");
    }

    // Cows might have specific eating habits, overriding if needed
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println(getName() + " is grazing on grass.");
    }
}

// Cat.java
// The Cat class extends Animal, inheriting its properties and behaviors.
class Cat extends Animal {
    // Constructor for Cat, calling the superclass constructor
    public Cat(String name, double height, double weight, String color) {
        super(name, height, weight, color);
    }

    // Overriding the makeSound method for a Cat
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println(getName() + " says Meow!");
    }

    // Cats might have specific sleeping habits, overriding if needed
    @Override
    public void sleep() {
        System.out.println(getName() + " is curled up and napping.");
    }
}

// Dog.java
// The Dog class extends Animal, inheriting its properties and behaviors.
class Dog extends Animal {
    // Constructor for Dog, calling the superclass constructor
    public Dog(String name, double height, double weight, String color) {
        super(name, height, weight, color);
    }

    // Overriding the makeSound method for a Dog
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println(getName() + " says Woof! Woof!");
    }
}

// AnimalShelter.java
// Main class to demonstrate the Animal hierarchy
public class AnimalShelter {
    public static void main(String[] args) {
        // Creating instances of different animals
        Cow bessy = new Cow("Bessy", 1.5, 800, "White and Black");
        Cat whiskers = new Cat("Whiskers", 0.3, 4, "Ginger");
        Dog buddy = new Dog("Buddy", 0.6, 25, "Golden");

        // Demonstrating inherited and overridden methods
        System.out.println("--- Animal Details ---");
        System.out.println(bessy);
        bessy.eat();
        bessy.sleep();
        bessy.makeSound();
        System.out.println();

        System.out.println(whiskers);
        whiskers.eat();
        whiskers.sleep();
        whiskers.makeSound();
        System.out.println();

        System.out.println(buddy);
        buddy.eat();
        buddy.sleep();
        buddy.makeSound();
        System.out.println();
    }
}

3.2. Фигуры: площадь и периметр (Лаба 2, Пример 1)

Реализуйте классы Circle, Rectangle, Triangle, Square, Ellipse с расчётом площади и периметра. Используйте наследование, чтобы сократить дублирование.