Java 多態機制深度解析：對象類型多態、方法多態、向上轉型與動態分發

多態核心：一個接口，多種實現

多態建立在繼承/實現基礎上，包含兩個維度：

1. 對象類型多態：引用類型 ≠ 對象實際類型（向上轉型）。
2. 方法多態（動態分發）：調用覆寫方法時，執行對象實際類型的版本。

對象類型多態：向上轉型

class Animal { void sound() { System.out.println("Animal sound"); } }
class Cat extends Animal { @Override void sound() { System.out.println("Meow"); } }
class Dog extends Animal { @Override void sound() { System.out.println("Woof"); } }

// 向上轉型：子類對象賦值給父類引用
Animal a1 = new Cat();   // 編譯類型 Animal，運行類型 Cat
Animal a2 = new Dog();   // 編譯類型 Animal，運行類型 Dog
Animal a3 = new Animal(); // 編譯/運行均 Animal

instanceof 類型檢查

System.out.println(a1 instanceof Animal);  // true
System.out.println(a1 instanceof Cat);     // true
System.out.println(a1 instanceof Dog);     // false

// JDK 14+ 模式匹配
if (a1 instanceof Cat c) { c.sound(); }  // 同時檢查並轉型

兩大核心優勢

1. 統一存儲：父類類型數組/集合存儲所有子類對象
2. 統一參數/返回：方法簽名使用父類類型，接受任意子類

存儲示例

Animal[] zoo = new Animal[3];
zoo[0] = new Cat();
zoo[1] = new Dog();
zoo[2] = new Cat();
// 新增子類無需修改數組代碼

參數/返回示例

// 單一方法處理所有子類
public void feed(Animal a) { a.sound(); }

feed(new Cat());   // Meow
feed(new Dog());   // Woof

// 返回類型多態
public Animal create(String type) {
    return switch (type) {
        case "cat" -> new Cat();
        case "dog" -> new Dog();
        default -> new Animal();
    };
}

方法多態：動態分發機制

調用 a1.sound() 時：

1. 編譯期：檢查 Animal 有 sound() 方法 → 通過。
2. 運行期：JVM 根據對象實際類型（Cat）在方法表中查找並調用 Cat.sound()。

關鍵規則

• 僅實例方法發生多態（static/private/final/構造器不參與）。
• 方法簽名（名稱+參數列表）必須相同，返回類型兼容（协变返回）。
• 訪問權限不能比父類更嚴格。

演示代碼

public class PolyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a = new Animal();
        Animal c = new Cat();
        Animal d = new Dog();
        Animal c2 = new Cat(); // 向上轉型
        
        test(a);  // Animal sound
        test(c);  // Meow
        test(d);  // Woof
        test(c2); // Meow
    }
    
    static void test(Animal a) {
        a.sound(); // 動態分發
    }
}

/* 輸出：
Animal sound
Meow
Woof
Meow
*/

向下轉型：強制類型轉換

Animal a = new Cat();
// Cat c = a; // 編譯錯誤：父類引用不可隱式賦值給子類變量

if (a instanceof Cat) {
    Cat c = (Cat) a;  // 向下轉型：需運行期檢查
    c.catchMouse();   // 調用子類特有方法
}

• 必須配合 instanceof 防 ClassCastException。
• JDK 14+ if (a instanceof Cat c) 合二為一。
• 濫用向下轉型違反開閉原則，優先用多態設計避免。

多態的代價與優化

• 性能開銷：動態分發需查方法表（v-table），比靜態綁定慢。現代 JIT 內聯熱點虛方法後差異極小。
• 內聯緩存：JVM 記錄調用點接收類型，單態/雙態調用點直接內聯。
• final/sealed 類：編譯器/JIT 可確知無子類，直接靜態綁定。

sealed 類（JDK 17+）：受控繼承的多態

public sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Triangle { }
final class Circle extends Shape { }
final class Rectangle extends Shape { }
non-sealed class Triangle extends Shape { } // 允許繼續繼承

• 限定可繼承的子類集合，編譯器強制檢查。
• 模式匹配 switch 可窮盡性檢查，無需 default。
• 兼具多態靈活性與封閉性保證。

設計原則：里氏替換原則 (LSP)

子類必須能替換父類且不破壞程序正確性。
違反例：Square extends Rectangle 導致 setWidth/setHeight 邏輯衝突。
解決：組合優於繼承，或重新設計繼承層次。