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深入理解 abstract class 和 interface

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。

对于 abstract class 和 interface 在语法定义层面更多的细节问题,不是本文的重点,不再赘述,读者可以参阅参考文献〔1〕获得更多的相关内容。

从编程层面看 abstract class 和 interface

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”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,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”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 Priciple),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 AlarmDoor 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。

结束语 {: #结束语

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。