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Java 抽象類與多態計算幾何圖形面積：Shape/Circle/Rectangle 經典教學範例

編輯：Java 程式設計入門

題目需求

定義一個超類（抽象父類）Shape，提供獲取圖形名稱的通用方法，並宣告抽象方法 getArea() 計算面積。派生 Circle（圓）、Rectangle（矩形）等子類，透過建構子接收參數（半徑、長寬），覆寫 getArea() 實現具體演算法。

完整原始碼

// 抽象父類
public abstract class Shape {
    // 通用方法：取得類別簡單名稱（Circle、Rectangle 等）
    public String getName() {
        return this.getClass().getSimpleName();
    }

    // 抽象方法：強制子類實現具體面積計算
    public abstract double getArea();
}

// 圓形
public class Circle extends Shape {
    private final double radius;

    public Circle(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    @Override
    public double getArea() {
        return Math.PI * Math.pow(radius, 2); // πr²
    }
}

// 矩形
public class Rectangle extends Shape {
    private final double length;
    private final double width;

    public Rectangle(double length, double width) {
        this.length = length;
        this.width = width;
    }

    @Override
    public double getArea() {
        return length * width; // 長 × 寬
    }
}

// 測試類
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Shape circle = new Circle(1);
        System.out.println("圖形的名稱是：" + circle.getName());
        System.out.println("圖形的面積是：" + circle.getArea());

        Shape rectangle = new Rectangle(1, 1);
        System.out.println("圖形的名稱是：" + rectangle.getName());
        System.out.println("圖形的面積是：" + rectangle.getArea());
    }
}

執行結果

圖形的名稱是：Circle
圖形的面積是：3.141592653589793
圖形的名稱是：Rectangle
圖形的面積是：1.0

執行畫面

核心概念解析

概念	程式碼體現	意義
抽象類	`abstract class Shape`	不可實例化，定義共同協議（介面）與共享實作（getName）
抽象方法	`abstract double getArea()`	無方法體，強制子類提供具體實現，實現「介面契約」
繼承	`extends Shape`	子類自動擁有 getName()，專注實現 getArea()
多態	`Shape circle = new Circle(1)`	父類引用指向子類物件，編譯期綁定父類型，執行期動態分派
封裝	`private final double radius`	資料隱藏，建構子初始化，不可變物件模式
反射獲取名稱	`getClass().getSimpleName()`	避免硬編碼字串，自動同步類別名稱變更

擴充示範：新增三角形

public class Triangle extends Shape {
    private final double base;
    private final double height;

    public Triangle(double base, double height) {
        this.base = base;
        this.height = height;
    }

    @Override
    public double getArea() {
        return 0.5 * base * height;
    }
}

// 使用：完全不動原有程式碼
Shape triangle = new Triangle(3, 4);
System.out.println(triangle.getName() + " 面積：" + triangle.getArea()); // Triangle 面積：6.0

這正是開放封閉原則 (OCP)：對擴充開放、對修改關閉。新增圖形零修改既有類別。

進階應用：集合與 Stream 處理

List<Shape> shapes = Arrays.asList(
    new Circle(2),
    new Rectangle(3, 4),
    new Triangle(5, 6)
);

// 總面積
double total = shapes.stream().mapToDouble(Shape::getArea).sum();

// 最大面積圖形
Shape max = shapes.stream().max(Comparator.comparingDouble(Shape::getArea)).orElse(null);

// 分組統計
Map<String, Long> countByType = shapes.stream()
    .collect(Collectors.groupingBy(Shape::getName, Collectors.counting()));

常見錯誤與避坑指南

忘記 abstract：若 Shape 不宣告 abstract 卻有無實作方法，編譯錯誤。
子類未覆寫：未實現 getArea() 的子類會繼承抽象方法，導致該子類也變成抽象類，無法實例化。
建構子未呼叫 super()：雖隱式呼叫，但若父類有參數建構子，子類必須显式 super(...)。
使用 getClass().getName()：回傳完整包名（com.example.Circle），顯示不友善，應用 getSimpleName()。