Java 使用接口還是抽象?

       實際上接口和抽象類的選擇不是隨心所欲的。要理解接口和抽象類的選擇原則,有兩個概念很重要:對象的行爲和對象的實現。如果一個實體可以有多種實現方式,則在設計實體行爲的描述方式時,應當達到這樣一個目標:在使用實體的時候,無需詳細瞭解實體行爲的實現方式。也就是說,要把對象的行爲和對象的實現分離開來。既然Java的接口和抽象類都可以定義不提供具體實現的方法,在分離對象的行爲和對象的實現時,到底應該使用接口還是使用抽象類呢?

通過抽象類建立行爲模型

  在接口和抽象類的選擇上,必須遵守這樣一個原則:行爲模型應該總是通過接口而不是抽象類定義。爲了說明其原因,下面試着通過抽象類建立行爲模型,看看會出現什麼問題。

  假設要爲銷售部門設計一個軟件,這個軟件包含一個“發動機”(Motor)實體。顯然無法在發動機對象中詳細地描述發動機的方方面面,只能描述某些對當前軟件來說重要的特徵。至於發動機的哪些特徵是重要的,則要與用戶(銷售部門)交流才能確定。

  銷售部門的人要求每一個發動機都有一個稱爲馬力的參數。對於他們來說,這是惟一值得關心的參數。基於這一判斷,可以把發動機的行爲定義爲以下行爲。

  行爲1:查詢發動機的馬力,發動機將返回一個表示馬力的整數。

  雖然現在還不清楚發動機如何取得馬力這個參數,但可以肯定發動機一定支持這個行爲,而且這是所有發動機惟一值得關注的行爲特徵。這個行爲特徵既可以用接口定義,也可以用抽象類定義。爲了說明用抽象類定義可能出現的問題,下面用抽象類建立發動機的行爲模型,並用Java方法描述行爲1,代碼如下:

代碼
  1. public abstract Motor{
  2. abstract public int getHorsepower();
  3. }

  在Motor抽象類的基礎上構造出多種具體實現,例如A型發動機、B型發動機等,再加上系統的其它部分,最後得到1.0版的軟件並交付使用。一段時間過去了,現在要設計2.0版的軟件。在評估2.0版軟件需求的過程中,發現一小部分發動機是電池驅動的,而電池需要一定的充電時間。銷售部門的人希望能夠通過計算機查閱充電時間。根據這一要求定義一個新的行爲,如圖1所示。

  行爲2:查詢電驅動發動機的充電時間,發動機將返回一個表示充電時間的整數。

  用Java方法來描述這個行爲,代碼如下:

代碼
  1. public abstract BatteryPoweredMotor extends Motor{
  2. abstract public int getTimeToRecharge();
  3. }

  在銷售部門的軟件中,電驅動發動機也以類的形式實現,但這些類從BatteryPoweredMotor而不是Motor派生。這些改動加入到2.0版軟件之後,銷售部門很滿意。隨着業務的不斷髮展,不久之後光驅動的發動機出現了。銷售部門要求光驅動發動機需要一定光能才能運轉,光能以流明(Lumen)度量。這個信息對客戶很重要,因爲下雨或多雲的天氣裏,某些光驅動發動機可能無法運轉。銷售部門要求爲軟件增加對光驅動發動機的支持,所以要定義一個新的行爲。

  行爲3:查詢光驅動發動機能夠正常運轉所需要的最小流明數,發動機返回一個整數。

  再定義一個抽象類並把行爲3轉換成Java方法,代碼如下:

代碼
  1. public abstract SolarPoweredMotor extends Motor{
  2. abstract public int getLumensToOperate();
  3. }

  如圖1所示,SolarPoweredMotor和BatteryPoweredMotor都從Motor抽象類派生。在整個軟件中,90%以上的代碼以相同的方式對待所有的發動機。偶爾需要檢查一下發動機是光驅動還是電驅動,使用instanceof實現,代碼如下:

代碼
  1. if ( instanceof SolarPoweredMotor){...}
  2. if ( instanceof BatteryPoweredMotor){...}

  無論是哪種發動機,馬力這個參數都很重要,所以在所有派生的抽象類(SolarPoweredMotor和BatteryPoweredMotor)中,getHorsepower()方法都有效。

  現在銷售部門又有了一種新的發動機,它是一種既有電驅動又有光驅動的雙重驅動發動機。光驅動和電驅動的行爲本身沒有變化,但新的發動機同時支持兩種行爲。在考慮如何定義新型的光電驅動發動機時,接口和抽象類的差別開始顯示出來了。新的目標是在增加新型發動機的前提下儘量少改動代碼。因爲與光驅動發動機、電驅動發動機有關的代碼已經過全面的測試,不存在已知的Bug。爲了增加光電驅動發動機,要定義一個新的SolarBatteryPowered抽象類。如果讓SolarBatteryPowered從Motor抽象類派生,SolarBatteryPowered將不支持針對光驅動發動機和電驅動發動機的instanceof操作。也就是說,如果查詢一個光電驅動的發動機是光驅動的,還是電驅動的,得到的答案是:都不是。

  如果讓 SolarBatteryPowered從SolarPoweredMotor(或BatteryPoweredMotor)抽象類派生,類似的問題也會出現,SolarBatteryPowered將不支持針對BatteryPoweredMotor(或SolarPoweredMotor)的 instanceof操作。從行爲上看,光電驅動的發動機必須同時從兩個抽象類派生,但Java語言不允許多重繼承。之所以會出現這個問題,根本的原因在於使用抽象類不僅意味着定義特定的行爲,而且意味着定義實現的模式。也就是說,應該定義一個發動機如何獲得行爲的模型,而不僅僅是聲明發動機具有某一個行爲。

通過接口建立行爲模型

  如果用接口來建立行爲模型,就可以避免隱含地規定實現模式。例如,前面的幾個行爲改用接口定義如下。

  行爲1:

代碼
  1. public interface Motor(){
  2. public int getHorsepower();
  3. }

行爲2:

代碼
  1. public interface BatteryPoweredMotor extends Motor(){
  2. public int getTimeToRecharge();
  3. }

行爲3:

代碼
  1. public interface SolarPoweredMotor extends Motor{
  2. abstract public int getLumensToOperate();
  3. }

  現在光電驅動的發動機可以描述爲:

代碼
  1. public DualPoweredMotor implements SolarPoweredMotor, BatteryPoweredMotor{}

  DualPoweredMotor只繼承行爲定義,而不是行爲的實現模式,如圖2所示。

  在使用接口的同時仍舊可以使用抽象類,不過這時抽象類的作用是實現行爲,而不是定義行爲。只要實現行爲的類遵從接口定義,即使它改變了父抽象類,也不用改變其它代碼與之交互的方式。特別是對於公用的實現代碼,抽象類有它的優點。抽象類能夠保證實現的層次關係,避免代碼重複。然而,即使在使用抽象類的場合,也不要忽視通過接口定義行爲模型的原則。從實踐的角度來看,如果依賴於抽象類來定義行爲,往往導致過於複雜的繼承關係,而通過接口定義行爲能夠更有效地分離行爲與實現,爲代碼的維護和修改帶來方便。

Java接口特性學習 
在Java中看到接口,第一個想到的可能就是C++中的多重繼承和Java中的另外一個關鍵字abstract。從另外一個角度實現多重繼承是接口的功能之一,接口的存在可以使Java中的對象可以向上轉型爲多個基類型,並且和抽象類一樣可以防止他人創建該類的對象,因爲接口不允許創建對象。

interface關鍵字用來聲明一個接口,它可以產生一個完全抽象的類,並且不提供任何具體實現。interface的特性整理如下:

1. 接口中的方法可以有參數列表和返回類型,但不能有任何方法體。

2. 接口中可以包含字段,但是會被隱式的聲明爲static和final。

3. 接口中的字段只是被存儲在該接口的靜態存儲區域內,而不屬於該接口。

4. 接口中的方法可以被聲明爲public或不聲明,但結果都會按照public類型處理。

5. 當實現一個接口時,需要將被定義的方法聲明爲public類型的,否則爲默認訪問類型,Java編譯器不允許這種情況。

6. 如果沒有實現接口中所有方法,那麼創建的仍然是一個接口。

7. 擴展一個接口來生成新的接口應使用關鍵字extends,實現一個接口使用implements。

interface在某些地方和abstract有相似的地方,但是採用哪種方式來聲明類主要參照以下兩點:

1. 如果要創建不帶任何方法定義和成員變量的基類,那麼就應該選擇接口而不是抽象類。

2. 如果知道某個類應該是基類,那麼第一個選擇的應該是讓它成爲一個接口,只有在必須要有方法定義和成員變量的時候,才應該選擇抽象類。因爲抽象類中允許存在一個或多個被具體實現的方法,只要方法沒有被全部實現該類就仍是抽象類。

以上就是接口的基本特性和應用的領域,但是接口絕不僅僅如此,在Java語法結構中,接口可以被嵌套,既可以被某個類嵌套,也可以被接口嵌套。這在實際開發中可能應用的不多,但也是它的特性之一。需要注意的是,在實現某個接口時,並不需要實現嵌套在其內部的任何接口,而且,private接口不能在定義它的類之外被實現。  

        最後再加上thinking in java中對接口使用原因最根本的指出:爲了能夠向上轉型爲多個基類型(以及由此而帶來的靈活性)。

當然使用接口還有個原因是和抽象類相同的:防止客戶端程序員創建該類的對象,並確保這僅僅是個建立一個接口。

 

        所以:接口和抽象類,怎麼選?當我們確定某個事物應該成爲一個基類的話,接口是第一選擇。

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