深析Java中抽象類與接口的區別

2019-11-17 04:01:14

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供稿：網友

　　在java 語言中， abstract class 和interface 是支持抽象類定義的兩種機制。正是由于這兩種機制的存在，才賦予了Java強大的面向對象能力。abstract class和interface之間在對于抽象類定義的支持方面具有很大的相似性，甚至可以相互替換，因此很多開發者在進行抽象類定義時對于abstract class和interface的選擇顯得比較隨意。其實，兩者之間還是有很大的區別的，對于它們的選擇甚至反映出對于問題領域本質的理解、對于設計意圖的理解是否正確、合理。本文將對它們之間的區別進行一番剖析，試圖給開發者提供一個在二者之間進行選擇的依據。

　　理解抽象類

　　abstract class和interface在Java語言中都是用來進行抽象類（本文中的抽象類并非從abstract class翻譯而來，它表示的是一個抽象體，而abstract class為Java語言中用于定義抽象類的一種方法，請讀者注意區分）定義的，那么什么是抽象類，使用抽象類能為我們帶來什么好處呢？

　　在面向對象的概念中，我們知道所有的對象都是通過類來描繪的，但是反過來卻不是這樣。并不是所有的類都是用來描繪對象的，如果一個類中沒有包含足夠的信息來描繪一個具體的對象，這樣的類就是抽象類。抽象類往往用來表征我們在對問題領域進行分析、設計中得出的抽象概念，是對一系列看上去不同，但是本質上相同的具體概念的抽象。比如：如果我們進行一個圖形編輯軟件的開發，就會發現問題領域存在著圓、三角形這樣一些具體概念，它們是不同的，但是它們又都屬于形狀這樣一個概念，形狀這個概念在問題領域是不存在的，它就是一個抽象概念。正是因為抽象的概念在問題領域沒有對應的具體概念，所以用以表征抽象概念的抽象類是不能夠實例化的。

　　在面向對象領域，抽象類主要用來進行類型隱藏。我們可以構造出一個固定的一組行為的抽象描述，但是這組行為卻能夠有任意個可能的具體實現方式。這個抽象描述就是抽象類，而這一組任意個可能的具體實現則表現為所有可能的派生類。模塊可以操作一個抽象體。由于模塊依賴于一個固定的抽象體，因此它可以是不允許修改的；同時，通過從這個抽象體派生，也可擴展此模塊的行為功能。熟悉OCP的讀者一定知道，為了能夠實現面向對象設計的一個最核心的原則OCP(Open-Closed PRinciple)，抽象類是其中的關鍵所在。

　　從語法定義層面看abstract class 和 interface

　　在語法層面，Java語言對于abstract class和interface給出了不同的定義方式，下面以定義一個名為Demo的抽象類為例來說明這種不同。

　　使用abstract class的方式定義Demo抽象類的方式如下：

abstract class Demo｛
abstract void method1();
abstract void method2();
…
｝

　　使用interface的方式定義Demo抽象類的方式如下：

interface Demo{
void method1();
void method2();
…
}

　　在abstract class方式中，Demo可以有自己的數據成員，也可以有非 abstract的成員方法，而在interface方式的實現中，Demo只能夠有靜態的不能被修改的數據成員（也就是必須是static final 的，不過在interface中一般不定義數據成員），所有的成員方法都是abstract的。從某種意義上說，interface是一種特殊形式的 abstract class。

　　從編程的角度來看，abstract class和interface都可以用來實現 "design by contract" 的思想。但是在具體的使用上面還是有一些區別的。

　　首先，abstract class 在 Java 語言中表示的是一種繼承關系，一個類只能使用一次繼承關系(因為Java不支持多繼承 -- 轉注)。但是，一個類卻可以實現多個interface。也許，這是Java語言的設計者在考慮Java對于多重繼承的支持方面的一種折中考慮吧。

　　其次，在abstract class的定義中，我們可以賦予方法的默認行為。但是在interface的定義中，方法卻不能擁有默認行為，為了繞過這個限制，必須使用委托，但是這會增加一些復雜性，有時會造成很大的麻煩。

　　在抽象類中不能定義默認行為還存在另一個比較嚴重的問題，那就是可能會造成維護上的麻煩。因為如果后來想修改類的界面（一般通過 abstract class 或者interface來表示）以適應新的情況（比如，添加新的方法或者給已用的方法中添加新的參數）時，就會非常的麻煩，可能要花費很多的時間（對于派生類很多的情況，尤為如此）。但是如果界面是通過abstract class來實現的，那么可能就只需要修改定義在abstract class中的默認行為就可以了。

　　同樣，如果不能在抽象類中定義默認行為，就會導致同樣的方法實現出現在該抽象類的每一個派生類中，違反了 "one rule，one place" 原則，造成代碼重復，同樣不利于以后的維護。因此，在abstract class和interface間進行選擇時要非常的小心。

　　從設計理念層面看 abstract class 和 interface

　　上面主要從語法定義和編程的角度論述了abstract class和interface的區別，這些層面的區別是比較低層次的、非本質的。本小節將從另一個層面：abstract class和interface所反映出的設計理念，來分析一下二者的區別。作者認為，從這個層面進行分析才能理解二者概念的本質所在。

　　前面已經提到過，abstract class在Java語言中體現了一種繼承關系，要想使得繼承關系合理，父類和派生類之間必須存在"is-a"關系，即父類和派生類在概念本質上應該是相同的。對于interface來說則不然，并不要求 interface的實現者和interface定義在概念本質上是一致的，僅僅是實現了interface定義的契約而已。為了使論述便于理解，下面將通過一個簡單的實例進行說明。

　　考慮這樣一個例子，假設在我們的問題領域中有一個關于Door的抽象概念，該Door具有執行兩個動作open和close，此時我們可以通過abstract class或者interface來定義一個表示該抽象概念的類型，定義方式分別如下所示：

　　使用abstract class方式定義Door：

abstract class Door{
abstract void open();
abstract void close()；
}

　　使用interface方式定義Door：

interface Door{
void open();
void close();
}

　　其他具體的Door類型可以extends使用abstract class方式定義的Door或者implements使用interface方式定義的Door?？雌饋砗孟袷褂胊bstract class和interface沒有大的區別。

　　如果現在要求Door還要具有報警的功能。我們該如何設計針對該例子的類結構呢（在本例中，主要是為了展示 abstract class 和interface 反映在設計理念上的區別，其他方面無關的問題都做了簡化或者忽略）？下面將羅列出可能的解決方案，并從設計理念層面對這些不同的方案進行分析。

　　解決方案一：

　　簡單的在Door的定義中增加一個alarm方法，如下：

abstract class Door{
abstract void open();
abstract void close()；
abstract void alarm();
}

　　或者

interface Door{
void open();
void close();
void alarm();
}

　　那么具有報警功能的AlarmDoor的定義方式如下：

class AlarmDoor extends Door{
void open(){…}
void close(){…}
void alarm(){…}
}

　　或者

class AlarmDoor implements Door｛
void open(){…}
void close(){…}
void alarm(){…}
｝

　　這種方法違反了面向對象設計中的一個核心原則 ISP (Interface Segregation Principle)，在Door的定義中把Door概念本身固有的行為方法和另外一個概念"報警器"的行為方法混在了一起。這樣引起的一個問題是那些僅僅依賴于Door這個概念的模塊會因為"報警器"這個概念的改變（比如：修改alarm方法的參數）而改變，反之依然。

　　解決方案二：

　　既然open、close和alarm屬于兩個不同的概念，根據ISP原則應該把它們分別定義在代表這兩個概念的抽象類中。定義方式有：這兩個概念都使用 abstract class 方式定義；兩個概念都使用interface方式定義；一個概念使用 abstract class 方式定義，另一個概念使用interface方式定義。

　　顯然，由于Java語言不支持多重繼承，所以兩個概念都使用abstract class方式定義是不可行的。后面兩種方式都是可行的，但是對于它們的選擇卻反映出對于問題領域中的概念本質的理解、對于設計意圖的反映是否正確、合理。我們一一來分析、說明。

　　如果兩個概念都使用interface方式來定義，那么就反映出兩個問題：1、我們可能沒有理解清楚問題領域，AlarmDoor在概念本質上到底是Door還是報警器？2、如果我們對于問題領域的理解沒有問題，比如：我們通過對于問題領域的分析發現AlarmDoor在概念本質上和Door是一致的，那么我們在實現時就沒有能夠正確的揭示我們的設計意圖，因為在這兩個概念的定義上（均使用 interface方式定義）反映不出上述含義。

　　如果我們對于問題領域的理解是：AlarmDoor在概念本質上是Door，同時它有具有報警的功能。我們該如何來設計、實現來明確的反映出我們的意思呢？前面已經說過，abstract class在Java語言中表示一種繼承關系，而繼承關系在本質上是"is-a"關系。所以對于Door這個概念，我們應該使用abstarct class方式來定義。另外，AlarmDoor又具有報警功能，說明它又能夠完成報警概念中定義的行為，所以報警概念可以通過interface方式定義。如下所示：

abstract class Door{
abstract void open();
abstract void close()；
}
interface Alarm{
void alarm();
}
class Alarm Door extends Door implements Alarm{
void open(){…}
void close(){…}
void alarm(){…}
}

　　這種實現方式基本上能夠明確的反映出我們對于問題領域的理解，正確的揭示我們的設計意圖。其實abstract class表示的是"is-a"關系，interface表示的是"like-a"關系，大家在選擇時可以作為一個依據，當然這是建立在對問題領域的理解上的，比如：如果我們認為AlarmDoor在概念本質上是報警器，同時又具有Door的功能，那么上述的定義方式就要反過來了。

　　小結

　　1.abstract class 在 Java 語言中表示的是一種繼承關系，一個類只能使用一次繼承關系。但是，一個類卻可以實現多個interface。

　　2.在abstract class 中可以有自己的數據成員，也可以有非abstarct的成員方法，而在interface中，只能夠有靜態的不能被修改的數據成員（也就是必須是 static final的，不過在 interface中一般不定義數據成員），所有的成員方法都是abstract的。

　　3.abstract class和interface所反映出的設計理念不同。其實abstract class表示的是"is-a"關系，interface表示的是"like-a"關系。

　　4.實現抽象類和接口的類必須實現其中的所有方法。抽象類中可以有非抽象方法。接口中則不能有實現方法。

　　5.接口中定義的變量默認是public static final 型，且必須給其初值，所以實現類中不能重新定義，也不能改變其值。

　　6.抽象類中的變量默認是 friendly 型，其值可以在子類中重新定義，也可以重新賦值。

　　7.接口中的方法默認都是 public,abstract 類型的。

　　結論

　　abstract class 和 interface 是 Java語言中的兩種定義抽象類的方式，它們之間有很大的相似性。但是對于它們的選擇卻又往往反映出對于問題領域中的概念本質的理解、對于設計意圖的反映是否正確、合理，因為它們表現了概念間的不同的關系（雖然都能夠實現需求的功能）。這其實也是語言的一種的慣用法，希望讀者朋友能夠細細體會。

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