简述
在面向对象编程中,抽象类和接口是常被用到的语法概念,是面向对象四大特性,以及很多设计模式、设计思想、设计原则实现的基础。它们之间的区别是什么?什么时候用接口?什么时候用抽象类?抽象类和接口存在的意义是什么?等等
1.什么是抽象类和接口?它们有什么区别?
我们来看下 Java
语言中是如何定义抽象类的。下面这段代码是一个比较典型的抽象类的使用场景(模板方法模式)。Logger
是一个记录日志的抽象类,FileLogger
和 MessageQueueLogger
继承 Logger
,分别实现两种不同的日志记录方式:记录日志到文件和记录日志到消息队列。FileLogger
和 MessageQueueLogger
两个子类复用了父类 Logger
中的 name
、enabled
、minPermittedLevel
属性和 log()
方法,但是因为这两个子类的写日志方式不同,它们又各种重写了父类中的 doLog()
方法。
// 抽象类public abstract class Logger {private String name;private boolean enabled;private Level minPermittedLevel;public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {this.name = name;this.enabled = enabled;this.minPermittedLevel = minPermittedLevel;}public void log(Level level, String message) {boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());if (!loggable) return;doLog(level, message);}protected abstract void doLog(Level level,String message);}// 抽象的子类:输出日志到文件public class FileLogger extends Logger {private Writer fileWriter;public FileLogger(String name, boolean enabled,Level minPermittedLevel, String filepath) {super(name, enabled, minPermittedLevel);this.fileWriter = new FileWriter(filepath);}@Overrideprotected void doLog(Level level, String message) {// 格式化level和message,输出日志文件fileWriter.write(...);}}// 抽象的子类:输出日志到消息中间件(比如Kafka)public class MessageQueueLogger extends Logger {private MessageQueueClient msgQueueClient;public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {super(name, enabled, minPermittedLevel);this.msgQueueClient = msgQueueClient;}@Overrideprotected void doLog(Level level, String message) {// 格式化level和message,输出到消息中间件msgQueueClient.send(...);}}
通过上面这个例子,我们来总结下抽象类的特性:
- 抽象类不允许被实例化,只能被继承。
- 抽象类可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现(比如
Logger
中的log()
),也可以不包含代码实现(比如Logger
中的doLog()
)。不包含代码实现的方法叫做抽象方法。 - 子类继承抽象类,必须实现抽象类中的所有抽象方法,对应到例子代码中,所有继承
Logger
的子类,都必须重写doLog()
。
再来看下,在 Java
语言中,如何定义接口
// 接口public interface Filter {void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException;}// 接口实现类:鉴权过滤器public class AuthFilter implements Filter {@Overridepublic void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {// 鉴权逻辑...}}// 接口实现类:限流过滤器public class RateLimitFilter implements Filter {@Overridepublic void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {// 限流逻辑...}}// 过滤器使用Demopublic class Application {private List<Filter> filters = new ArrayList<>();// filters.add(new AuthFilter());// filters.add(new RateLimitFilter());public void handleRpcRequest(RpcRequest req) {try {for (Filter filter : filters) {filter.doFilter(req);}} catch (RpcException e) {// 处理过滤异常...}// 省略其他逻辑...}}
上面这段代码是一个比较典型的接口的使用场景。我们通过 Java
语言中的 interface
关键字定义了一个 Filter
接口。AuthFilter
和 RateLimitFilter
是接口的两个实现类,分别实现了对 RPC
请求鉴权和限流的过滤功能。
总结下接口的三个特性:
- 接口不能包含属性
- 接口只能申明方法,方法不能包含代码实现。
- 类实现接口的时候,必须实现接口类中声明的所有方法。
从语法特性上对比,两种有比较大的差别,比如抽象类中可以定义属性、实现方法,而接口中不能定义属性,方法也不能实现。除了语法特性,从设计角度,两种也是由较大的区别的。
抽象类实际上是类,只不过是一种特殊的类,这种类不能被实例化为对象,只能被子类继承。我们知道继承是一种 is-a
的的关系,那抽象类既然属于类,也表示一种 is-a
的关系。相对于抽象类的 is-a
来说,接口表示一种 has-a
关系,表示具有某些功能。对于接口,有一种更加形象的叫法,那就是协议(contract
)。
2.抽象类和接口能解决什么问题?
首先,看一下为什么需要抽象类?它能够解决什么编程问题?
刚刚讲过抽象类不能实例化,只能被继承。而继承能解决代付复用问题,所以抽象类也是为代码复用而生的。多个子类可以继承抽象类中定义的熟悉和方法,避免在子类在编写重复的代码。
既然,继承本身能到到代码复用的目的,那不用抽象类也能实现继承和复用。那抽象类除了解决代码复用的问题,还有什么其他的意义吗?
还是之前日志的例子,来讲解。Logger
不再是抽象类,而是一个普通的父类,删除了 log()
、doLog()
方法,新增了 isLoggable()
方法。FileLogger
和 MessageQueueLogger
还是继承 Logger
,以达到代码复用的目的。
// 父类:非抽象类,就是普通的类. 删除了log(),doLog(),新增了isLoggable().public class Logger {private String name;private boolean enabled;private Level minPermittedLevel;public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {//...构造函数不变,代码省略...}public boolean isLoggable(Level level) {boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());return loggable;}}// 子类:输出日志到文件public class FileLogger extends Logger {private Writer fileWriter;public FileLogger(String name, boolean enabled,Level minPermittedLevel, String filepath) {//...构造函数不变,代码省略...}public void log(Level level, String message) {if (!isLoggable(level)) return;// 格式化level和message,输出到日志文件fileWriter.write(...);}}// 子类: 输出日志到消息中间件(比如kafka)public class MessageQueueLogger extends Logger {private MessageQueueClient msgQueueClient;public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {//...构造函数不变,代码省略...}public void log(Level level, String message) {if (!isLoggable(level)) return;// 格式化level和message,输出到消息中间件msgQueueClient.send(...);}}
这个涉及思路虽然达到了代码复用的目的,但是无法使用多态特性了。像下面这样编写代码,就会出现编译报错。
Logger logger = new FileLogger("access-log", true, Level.WARN, "/file/access.log");logger.log(Level.ERROR, "This is a test log message.");
你可以能会说,这个问题解决起来很简单啊,在 Logger
中定义一个空的 log()
方法,让子类重写父类的 log()
方法,实现自己的记录日志的逻辑,不就可以了吗?
public class Logger {// 省略其他代码...public void log(Level level, String message) { //do nothing... }}public class FileLogger extends Logger {// 省略其他代码...@Overridepublic void log(Level level, String message) {if (!isLoggable(level)) return;// 格式化level和message,输出到日志文件fileWriter.write(...);}}public class MessageQueueLogger extends Logger {// 省略其他代码...@Overridepublic void log(Level level, String message) {if (!isLoggable(level)) return;// 格式化level和message,输出到消息中间件msgQueueClient.send(...);}}
这个设计思路虽然可以用,但是,它显然没有之前通过抽象类的实现思路优雅。主要有以下几点原因:
- 在
Logger
中定义一个空的log()
方法,会影响代码的可读性。如果我们不熟悉Logger
背后的设计思想,代码注释有不太好,我们在阅读Logger
代码的时候,就可能对为什么定义一个空的log()
方法感到疑惑,需要查看Logger
、FileLogger
、MessageQueueLogger
之间的继承关系,才能弄明白其设计意图。 - 当创建一个新的子类继承
Logger
的时候,我们可能会忘记重新实现log()
方法。不像抽象类,编译器会强制要求子类重写log()
方法。你可能会说,怎么可能会忘记重新实现呢? 我们举个简单的例子,如果Logger
代码有几百行,有 n 个方法,这个时候你很有可能会忘记重写log()
方法。 Logger
可以被实例化,换句话说,我们可以 new 一个Logger
出来,并调用空的log()
方法。这增加了类被误用的风险。当然,这个问题可以通过设置私有的构造函数的方式来解决。不过显然没有通过抽象类来的优雅。
其次,我们再来看一下,我们为什么需要接口?它能解决什么问题?
抽象类更多的是为了代码复用,而接口就侧重于解耦。接口是对行为的一种抽象,相当于一组协议或契约,你可以类比 API
接口。调用者只需要关注抽象的接口,不需要了解具体的实现。接口实现了约定和实现分离,可以降低代码间的耦合性,提供代码的可扩展性。
实际上,接口是一个比较抽象类更加广发、更加重要的知识点。比如,我们经常提到的“基于接口而非实现编程”,就是一条几乎天天会被用到,并且能极大地提高代码的灵活性、扩展性的设计思想。
3. 如何决定该用抽象类还是接口?
实际上判断标准很简单。如果我们要表示一种 is-a
的关系,并且是为了解决代码复用的问题,我们就用抽象类;如果我们要表示一种 has-a
的关系,并且是为了解决抽象而非代码复用的问题,我们就用接口。
从类层次上来看,抽象类是一种自下而上的设计思路,现有子类的代付重复,然后再抽象成上层的父类(也就是抽象类)。而接口正好相反,它是一种自上而下的设计思路。我们在编程的时候,一般都是先设计接口,再去考虑具体实现。
总结
1.抽象类和接口的语法特性
抽象类不允许实例化,只能被继承。它可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现,也可以不包含代码实现。不包含代码实现的方法叫做抽象方法,必须由子类实现。
接口不能包含属性,只能声明方法,方法不能包含代码实现。类实现接口的时候,必须实现接口中申明的所有方法。
2.抽象类和接口的意义
抽象类是对成员变量和方法的抽象,是一种 is-a
的关系,是为了解决代付复用的问题。
接口仅是对方法的抽象,是一种 has-a
的关系,表示某一组行为特性,是为了解决解耦问题,隔离接口和具体的实现,提高带代码的可扩展性。
3.抽象类和接口的应用场景
判断标准很简单。
如果要表示一种 is-a
的关系,并且是为了解决代付复用的问题,我们就用抽象类。
如果要表示一种 has-a
的关系,并且是为了解决抽象而非代码复用问题,我们就用接口。