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详细解析:Java中的抽象类和接口的区别

日期:2012-08-21 15:03  阅读:
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。abstract class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。本文将对它们之间的区别进行一番剖析,试图给开发者提供一个在二者之间进行选择的依据。
 
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 abstarct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。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"onerule,oneplace"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,abstarct 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"isa"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"isa"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abstractclass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abstractclass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 (InterfaceSegregationPriciple),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。

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