Java 多態與接口實戰教程：從復數運算到幾何建模的完整實驗指南

Java 多態與接口實戰教程

本文基於經典教學實驗，通過四個遞進式程序項目，系統講解 Java 面向對象核心機制：接口定義與實現、多態賦值與調用、多接口實現、接口繼承體系。附帶完整源碼、運行結果分析與設計模式思考，適合 Java 進階學習者夯實基礎。

實驗一：PCI 接口與多態調用

模擬主板通過 PCI 接口統一管理網卡、聲卡等設備，展示接口類型參數實現多態的核心模式。

interface PCI {
    void start();
    void stop();
}

class NetworkCard implements PCI {
    public void start() { System.out.println("send..."); }
    public void stop() { System.out.println("Network stop."); }
}

class SoundCard implements PCI {
    public void start() { System.out.println("Du Du..."); }
    public void stop() { System.out.println("Sound stop."); }
}

class MainBoard {
    public void userPCICard(PCI p) {  // 接口類型參數
        p.start();
        p.stop();
    }
}

public class Example3 {
    public static void main(String[] args) {
        MainBoard mb = new MainBoard();
        mb.userPCICard(new NetworkCard());  // 多態：傳入不同實現
        mb.userPCICard(new SoundCard());
    }
}

核心洞察： MainBoard 僅依賴抽象 PCI，不依賴具體實現，符合依賴倒置原則。新增設備只需實現接口，無需修改主板代碼。

實驗二：復數類設計與運算符重載模擬

需求：設計 Complex 類，支援三種構造器、加減運算、字符串輸出、相等比較。

設計要點

• 構造器鏈： 無參調用 this(0,0)，單參調用 this(real,0)
• 不可變模式： 運算返回新對象，不修改原值
• equals 契約： 重寫需同時重寫 hashCode()（本實驗省略）
• toString 格式： 虛部為負時輸出 a-bi，正數輸出 a+bi

class Complex {
    private double real, im;
    
    public Complex(double real, double im) { this.real = real; this.im = im; }
    public Complex() { this(0, 0); }
    public Complex(double real) { this(real, 0); }
    
    public Complex add(Complex c) {
        return new Complex(this.real + c.real, this.im + c.im);
    }
    public Complex minus(Complex c) {
        return new Complex(this.real - c.real, this.im - c.im);
    }
    
    @Override public String toString() {
        return im < 0 ? real + "" + im + "i" : real + "+" + im + "i";
    }
    
    @Override public boolean equals(Object obj) {
        if (!(obj instanceof Complex)) return false;
        Complex c = (Complex) obj;
        return real == c.real && im == c.im;
    }
}

實驗三：幾何圖形雙接口實現

定義 Area（面積）與 Volume（體積）兩個接口，球類 Globe 同時實現：

interface Area { double getArea(); }
interface Volume { double getVolume(); }

class Globe implements Area, Volume {
    private double r;
    public Globe(double r) { this.r = r; }
    
    public double getArea() { return 4 * Math.PI * r * r; }
    public double getVolume() { return (4.0/3) * Math.PI * r * r * r; }  // 修正：原代碼 0.75 錯誤
}

測試驗證： 輸入半徑 5cm，表面積 314.16cm²，體積 523.60cm³。

實驗四：接口繼承與菱形結構建模

建立 PlaneGraphics（平面圖形）與 SolidGraphics（立體圖形）接口體系：

interface PlaneGraphics {
    double area();      // 面積/表面積
    double perimeter(); // 周長
}

interface SolidGraphics {
    double volume();    // 體積
}

class Rectangle implements PlaneGraphics {
    private double a, b;
    public Rectangle(double a, double b) { this.a = a; this.b = b; }
    public double area() { return a * b; }
    public double perimeter() { return 2 * (a + b); }
}

class Cuboid extends Rectangle implements SolidGraphics {
    private double c;
    public Cuboid(double a, double b, double c) { super(a, b); this.c = c; }
    
    @Override public double area() {  // 覆寫為表面積
        return 2 * (a*b + b*c + a*c);
    }
    public double volume() { return a * b * c; }
}

設計亮點： Cuboid 繼承 Rectangle 復用邊長屬性，同時實現 SolidGraphics 擴展三維能力。area() 語義從「面積」自然延伸為「表面積」，體現里氏替換原則的邊界探討。

實驗五：週末計劃策略模式（選做）

通過父類引用指向不同子類對象，演示運行時多態：

interface Plan {
    void eat();
    void play();
}

class Saturday implements Plan {
    public void eat() { System.out.println(" 吃甜品"); }
    public void play() { System.out.println(" 騎自行車"); }
}

class Sunday implements Plan {
    public void eat() { System.out.println(" 吃壽司"); }
    public void play() { System.out.println(" 爬山"); }
}

public class Example9 {
    public static void main(String[] args) {
        weekend(new Saturday());
        weekend(new Sunday());
    }
    
    static void weekend(Plan p) {  // 多態參數
        System.out.println(p instanceof Saturday ? "星期六：" : "星期天：");
        p.eat();
        p.play();
    }
}

核心知識總結

進階思考題

1. Cuboid 繼承 Rectangle 是否違反「正方形不是長方形」的里氏替換原則？如何重構？
2. 若需支援圓形、圓柱體，接口體系該如何擴展？
3. 對比 instanceof 與雙分派模式在多態場景的優劣。