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Java中abstract class 和 interface 的解释和他们的异同点 -- 转  

2008-01-24 21:42:28|  分类: JAVA |  标签: |举报 |字号 订阅

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(一)概述
   在Java语言中, abstract class 和interface是支持抽象类定义的两种机制。正是由于这两种机制的存

在,才赋予了Java强大的 面向对象能力。abstractclass和interface之间在对于抽象类定义的支持方面具有

很大的相似性,甚至可以相互替换,因此很多开发者在进行抽象类定义时对于abstract class和interface的

选择显得比较随意。其实,两者之间还是有很大的区别的,对于它们的选择甚至反映出对于问题领域本质的理

解、对于设计意图的理解是否正确、合理。

 

  abstractclass和interface在Java语言中都是用来进行抽象类(本文中的抽象类并非从abstract class

翻译而来,它表示的是一个抽象体,而abstractclass为Java语言中用于定义抽象类的一种方法, 请读者注意

区分)定义的,那么什么是抽象类,使用抽象类能为我们带来什么好处呢?


  在面向对象的概念中,我们知道所有的对象都是通过类来描绘的,但是反过来却不是这样。并不是所有

的类都是用来描绘对象的(把类具体化),如果一个类中没有包含足够的信息来描绘一个具体的对象,这样的

类就是抽象类。抽象类往往用来表征我们在对问题领域进行分析、设计中得出的抽象概念,是对一系列看上去

不同,但是本质上相同的具体概念的抽象。比如:如果我们进行一个图形编辑软件的开发,就会发现问题领域

存在着圆、三角形这样一些具体概念,它们是不同的,但是它们又都属于形状这样一个概念,形状这个概念在

问题领域是不存在的,它就是一个抽象概念。正是因为抽象的概念在问题领域没有对应的具体概念,所以用以

表征抽象概念的抽象类是不能够实例化的。


   在面向对象领域,抽象类主要用来进行类型隐藏。我们可以构造出一个固定的一组行为的抽象描 述,但

是这组行为却能够有任意个可能的具体实现方式。这个抽象描述就是抽象类,而这一组任意个可能的具体实现

则表现为所有可能的派生类。好比,动物是一个抽象类,人、猴子、老虎就是具体实现的派生类,我们就可以

用动物类型来隐藏人、猴子和老虎的类型。

 

(二)从语法定义来分析

在语法层面,Java语言对于abstractclass和interface给出了不同的定义方式,下面以定义一个名为Demo的抽象类为例来说明这种不同。

  使用abstract class的方式定义Demo抽象类的方式如下:

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

  使用interface的方式定义Demo抽象类的方式如下:

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

}

  在abstract class方式中,Demo可以有自己的数据成员,也可以有非abstract的成员方法,而在interface方式的实现中,Demo只能够有

静态的不能被修改的数据成员(也就是必须是static final的,不过在interface中一般不定义数据成员),所有的成员方法都是abstract的

。从某种意义上说,interface是一种特殊形式的 abstract class。

  从编程的角度来看,abstract class和interface都可以用来实现"design by contract"的思想。但是在具体的使用上面还是有一些区别
的。


  首先,abstract class 在 Java语言中表示的是一种继承关系,一个类只能使用一次继承关系(因为Java不支持多继承-- 转注)。但是,

一个类却可以实现多个interface。也许,这是Java语言的设计者在考虑Java对于多重继承的支持方面的一种折中考虑吧。

  其次,在abstractclass的定义中,我们可以赋予方法的默认行为。但是在interface的定义中,方法却不能拥有默认行为,为了绕过这个

限制,必须使用委托,但是这会增加一些复杂性,有时会造成很大的麻烦。

  在抽象类中不能定义默认行为还存在另一个比较严重的问题,那就是可能会造成维护上的麻烦。因为如果后来想修改类的界面(一般通

过 abstract class或者interface来表示)以适应新的情况(比如,添加新的方法或者给已用的方法中添加新的参数)时,就会非常的麻烦

,可能要花费很多的时间(对于派生类很多的情况,尤为如此)。但是如果界面是通过abstractclass来实现的,那 么可能就只需要修改定义

在abstract class中的默认行为就可以了。

  同样,如果不能在抽象类中定义默认行为,就会导致同样的方法实现出现在该抽象类的每一个派生类中,违反了"one rule,one place"

原则,造成代码重复,同样不利于以后的维护。因此,在abstractclass和interface间进行选择时要非常的小心。


(三)从设计理念层面分析

上面主要从语法定义和编程的角度论述了abstractclass和interface的区别,这些层面的区别是比较低层次的、非本质的。本小节将从另一

个层面:abstractclass和interface所反映出的设计理念,来分析一下二者的区别。作者认为,从这个层面进行分析才能理解二者概念的本质

所在。

  前面已经提到过,abstractclass在Java语言中体现了一种继承关系,要想使得继承关系合理,父类和派生类之间必须存在"is-a"关系,

即父类和派生类在概念本质上应该是相同的。对于interface来说则不然,并不要求interface的实现者和interface定义在概念本质上是一致的

,仅仅是实现了interface定义的契约而已。为了使论述便于理解,下面将通过一个简单的实例进行说明。

  考虑这样一个例子,假设在我们的问题领域中有一个关于Door的抽象概念,该Door具有执行两个动作open和close,此时我们可以通过

abstractclass或者interface来定义一个表示该抽象概念的类型,定义方式分别如下所示:

  使用abstract class方式定义Door:


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

  使用interface方式定义Door:

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

  其他具体的Door类型可以extends使用abstractclass方式定义的Door或者implements使用interface方式定义的Door。看起来好像使用

abstract class和interface没有大的区别。

  如果现在要求Door还要具有报警的功能。我们该如何设计针对该例子的类结构呢(在本例中,主要是为了展示 abstract class 和

interface反映在设计理念上的区别,其他方面无关的问题都做了简化或者忽略)?下面将罗列出可能的解决方案,并从设计理念层面对这些

不同的方案进行分析。

  解决方案一:

  简单的在Door的定义中增加一个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();
}

  那么具有报警功能的AlarmDoor的定义方式如下:

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

  或者

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

  这种方法违反了面向对象设计中的一个核心原则 ISP (InterfaceSegregation Principle),在Door的定义中把Door概念本身固有的行为

方法和另外一个概念"报警器"的行为方法混在了一起。这样引起的一个问题是那些仅仅依赖于Door这个概念的模块会因为"报警器"这个概念的

改变(比如:修改alarm方法的参数)而改变,反 之依然。

  解决方案二:

  既然open、close和alarm属于两个不同的概念,根据ISP原则应该把它们分别定义在代表这两个概念的抽象类中。定义方式有:这两个概

念都使用 abstract class方式定义;两个概念都使用interface方式定义;一个概念 使用 abstractclass 方式定义,另一个概念使用

interface方式定义。


  显然,由于Java语言不支持多重继承,所以两个概念都使用abstractclass方式定义是不可行的。后面两种方式都是可行的,但是对于它

们的选择却反映出对于问题领域中的概念本质的理解、对于设计意图的反映是否正确、合理。我们一一来分析、说明。

  如果两个概念都使用interface方式来定义,那么就反映出两个问题:1、我们可能没有理解清楚问题领域,AlarmDoor在概念本质上到底

是Door还是报警器?2、如果我们对于问题领域的理解没有问题,比如:我们通过对于问题领域的分析发现AlarmDoor在概念本质上和Door是一

致的,那么我们在实现时就没有能够正确的揭示我们的设计意图,因为在这两个概念的定义上(均使用interface方式定义)反映不出上述含

义。

  如果我们对于问题领域的理解是:AlarmDoor在概念本质上是Door,同时它有具有报警的功能。我们该如何来设计、实现来明确的反映出

我们的意思呢?前面已经说过,abstractclass在Java语言中表示一种继承关系,而继承关系在本质上是"is-a"关系。所以对于Door这个概念

,我们应该使用abstarctclass方式来定义。另外,AlarmDoor又具有报警功能,说明它又能够完成报警概念中定义的行为,所以报警概念可

以通过interface方式定义。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(){…}
}

  这种实现方式基本上能够明确的反映出我们对于问题领域的理解,正确的揭示我们的设计意图。其实abstract class表示的是"is-a"关系

,interface表示的是"like-a"关系,大家在选择时可以作为一个依据,当然这是建立在对问题领域的理解上的,比如:如果我们认为

AlarmDoor在概念本质上是报警器,同时又具有Door的功能,那么上述的定义方式就要反过来了。

 

(四)abstract class总结

   1.abstractclass通常含有一个或多个抽象方法,抽象方法不提供实现;包含抽象方法的类必须声明为抽象类abstractclass;abstract

class的所有具体子类都必须为超类提供具体实现;子类如果没有实现超类的抽象方法,则会产生编译错误,除非子类也声明为abstract。

   2.abstractclass声明了类层次结构中各个类的共同属性和行为;由于不能继承构造函数,因此构造函数不能声明为抽象方法;尽管不能

实例化抽象类的对象,但是能够声明抽象类型的变量,这种变量可用于引用子类的对象

(五)interface总结

   1.接口以interface开始,并包含一组默认为是public的抽象方法,接口可以包含变量,默认为staticfinal的,且必须给其初值,所以实

现类中不能重新定义,也不能改变其值;实现接口必须实现其中的所有方法,接口中不能有实现方法,所有的成员方法都是abstract的。


   2.如果一个类没有实现任何接口方法,则它是抽象类,并且必须以关键字abstract声明该类;实现一个接口如同与编译器达成一个协议,

“我将声明该接口制定的所有方法”。


(六)小结


  1.abstract class 在 Java语言中表示的是一种继承关系,一个类只能使用一次继承关系。但是,一个类却可以实现多个interface。

  2.在abstract class中可以有自己的数据成员,也可以有非abstarct的成员方法,而在interface中,只能够有静态的不能被修改的数据

成员(也就是必须是static final的,不过在interface中一般不定义数据成员),所有的成员方法都是abstract的。

  3.abstractclass和interface所反映出的设计理念不同。其实abstractclass表示的是"is-a"关系,

interface表示的是"like-a"关系。

 


   4.接口一般用于在抽象类中没有可供继承的默认实现时(即没有实例变量和默认方法实现)代替该类。
    
    5.abstractclass是另一种契约形式,是设计对实现的要求;而接口是服务器对客户端的要求。
    
    6.abstractclass是一个基类,不能被实例化;接口是个声明,每个对应接口的类都要实现方法。

 


   7.一个子类如果implements一个接口,就必须实现接口中的所有方法(不管是否需要);如果是继承一个抽象类,只需要实现需要的方法

即可,这是抽象类的一个优点

   8.如果一个接口中定义的方法名改变了,那么所有实现此接口的子类显然将无法通过编译,因为它们所实现的方法名已经不存在了,这是

接口的一个缺点;而抽象类中如果有个非抽象方法改了,就不存在这个问题,只是为子类添加了一个新的方法。


  9.看前面两点,似乎抽象类要比接口有着更多的优点,但它却有着一个难以弥补的缺点:就是一个子类只能有一个父类。Aextends B 。

这样A就拥有了B的所有方法和功能,但当A还想拥有C的功能的时候。就不能通过A extends C 来实现,而需要走一些弯路。目前系统架构

的趋势就是由针对抽象(借口,抽象类)而不是具体编程,并且将功能尽可能的细分。这就需要通过实现多个接口的方式来实现,显然,抽

象类无法提供这样的功能。从系统重构的角度来说,一个具体类抽象出接口是十分方便的。只需要写一个接口,里面定义具体类的所有方法,

然后在为这个具体类implement这个接口就可以了。而抽象类就要复杂的多,比如说B extends A , C extends B 如果想要为c抽象出一个抽象

类D的话,就需要找到它的最顶层A来从头做起,因为无法做到C extendsD
 



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