深入理解abstract class和interface

2019-11-18 12:06:15

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　　 abstract class和interface是java語言中對于抽象類定義進行支持的兩種機制，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，請讀者注重區分）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，假如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：假如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，但是它們又都屬于外形這樣一個概念，外形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。由于模塊依靠于一個固定的抽象體，因此它可以是不答應修改的；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)，抽象類是其中的要害所在。
　　
　　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abstarct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是一種非凡形式的abstract class。
　　
　　對于abstract class和interface在語法定義層面更多的細節問題，不是本文的重點，不再贅述，讀者可以參閱參考文獻〔1〕獲得更多的相關內容。
　　
　　從編程層面看abstract class和interface
　　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續關系，一個類只能使用一次繼續關系。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對于多重繼續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。因為假如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）。但是假如界面是通過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，假如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，abstarct class在Java語言中體現了一種繼續關系，要想使得繼續關系合理，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（參考文獻〔3〕中有關于"is a"關系的大篇幅深入的論述，有愛好的讀者可以參考）。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?？雌饋硭坪跏褂胊bstract class和interface沒有大的區別。
　　
　　假如現在要求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() { … }
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　　這種方法違反了面向對象設計中的一個核心原則ISP（Interface Segregation Priciple），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靠于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語言不支持多重繼續，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。
　　
　　假如兩個概念都使用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、假如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。
　　
　　假如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

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