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        詳細解析Java中抽象類和接口的區別

        51自學網 2015-09-03 http://www.40288265.com
          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。看起來好像使用abstract 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。

         

         

         
        說明
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