详细解析Java中抽象类和接口的区别

 

 详细解析Java中抽象类和接口的区别(来自：java060515)

理解抽象类

abstract class 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 abstract class 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，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。模块可以操作一个 抽象体。由于模块依赖于一个固定的抽象体，因此它可以是不允许修改的；同时，通过从这个抽象体派生，也可扩展此模块的行为功能。熟悉 OCP 的读者一定知 道， 为了能够实现面向对象设计的一个最核心的原则 OCP(Open-Closed Principle) ， 抽象类是其中的关键所在。

从语法定义层面看 abstract class 和 interface

在语法层面， Java 语言对于 abstract class 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 abstract class 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 abstract class 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 abstract class 和 interface 间进行选择时要非常的小心。

从设计理念层面看 abstract class 和 interface

上 面主要从语法定义和编程的角度论述了 abstract class 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： abstract class 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， abstract class 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（参考文献〔 3 〕中有关于 "is-a" 关系的大篇幅深 入的 论述，有兴趣的读者可以参考）。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 abstract class 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 abstract class 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 (Interface Segregation 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 abstract class 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 abstract class 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， abstract class 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 abstarct class 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。

 

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

4.实现抽象类和接口的类必须实现其中的所有方法。抽象类中可以有非抽象方法。接口中则不能有实现方法。

5.接口中定义的变量默认是public static final 型，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。

6.抽象类中的变量默认是 friendly 型，其值可以在子类中重新定义，也可以重新赋值。

7. 接口中的方法默认都是 public,abstract 类型的。

结论

abstract class 和 interface 是 Java 语言中的两种定义抽象类的方式，它们之间有很大的相似性。但是对于它们的选择却又往往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，因为它们表现了概念间的不同的关系（虽然都能够实现需求的功能）。这其实也是语言的一种的惯用法，希望 读者朋友能够细细体会。

参考文献
[1] Thinking in Java, Bruce Eckel
[2] Design Patterns Explained: A New Perspective on Object-Oriented Design, Alan Shalloway and James R. Trott
[3] Effective C++: 50 Specific Ways to Improve Your Programs and Design, Scott Meyers

 

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