Abstract class和interface

 
Abstract class和interface是Java語言中對於抽象類定義進行支持的兩種機制,正是由於這兩種機制的存在,才賦予了Java強大的面向對象能力。Abstract class和interface之間在對於抽象類定義的支持方面具有很大的相似性,甚至可以相互替換,因此很多開發者在進行抽象類定義時對於abstract class和interface的選擇顯得比較隨意。其實,兩者之間還是有很大的區別的,對於它們的選擇甚至反映出對於問題領域本質的理解、對於設計意圖的理解是否正確、合理。本文將對它們之間的區別進行一番剖析,試圖給開發者提供一個在二者之間進行選擇的依據。
 
一.理解抽象、抽象類
 
abstract class和interface在Java語言中都是用來進行抽象類定義的,(本文中的抽象類並非是abstract class的字面意思,它表示的是一個抽象體,而abstract class是Java語言中用於定義抽象類的一種方法,請讀者注意區分)那麼什麼是抽象類,使用抽象類能爲我們帶來什麼好處呢?
 
在面向對象的概念中,我們知道所有的對象都是通過類來描繪的,但是反過來卻不是這樣。並不是所有的類都是用來描繪對象的,如果一個類中沒有包含足夠的信息來描繪一個具體的對象,這樣的類就是抽象類。抽象類往往用來表徵我們在對問題領域進行分析、設計中得出的抽象概念,是對一系列表面上不同,但是本質上相同的具體概念的抽象。比如:如果我們進行一個圖形編輯軟件的開發,就會發現問題領域存在着圓、三角形這樣一些具體概念,它們是不同的,但是它們又都屬於形狀這樣一個概念,形狀這個概念在問題領域是不存在的,它就是一個抽象概念。正是因爲抽象的概念在問題領域沒有對應的具體概念,所以用以表徵抽象概念的抽象類是不能夠實例化的。
 
在面向對象領域,抽象類主要用來進行類型隱藏(我把“類型隱藏”理解爲封裝)。我們可以構造出一個固定的一組行爲的抽象描述,但是這組行爲卻能夠有任意個可能的具體實現方式。這個抽象描述就是抽象類,而這一組任意個可能的具體實現則表現爲所有可能的派生類。模塊可以操作一個抽象體。由於模塊依賴於一個固定的抽象體,因此它可以是不允許修改的;同時,通過從這個抽象體派生,也可擴展此模塊的行爲功能。熟悉OCP的讀者一定知道,爲了能夠實現面向對象設計的一個最核心的原則OCP(Open-Closed Principle),抽象類是其中的關鍵所在。
 
二.從語法定義層面看abstract class和interface
 
在語法層面,Java語言對於abstract class和interface給出了不同的定義方式,下面以定義一個名爲Demo的抽象類爲例來說明這種不同。
使用abstract class的方式定義Demo抽象類的方式如下:
 
abstract class Demo{
abstract void method1();
abstract void method2();
 
使用interface的方式定義Demo抽象類的方式如下:
 
interface Demo{
void method1();
void method2();
}
 
在abstract class方式中,Demo可以有自己的數據成員,也可以有非abstarct的成員方法,而在interface方式的實現中,Demo只能夠有靜態的不能被修改的數據成員(也就是必須是static final的,不過在interface中一般不定義數據成員),所有的成員方法都是abstract的。從某種意義上說,interface是一種特殊形式的abstract class。
 
三.從編程的角度看abstract class和interface
 
從編程的角度來看,abstract class和interface都可以用來實現"design by contract"的思想。但是在具體的使用上面還是有一些區別的。
 
首先,abstract class在Java語言中表示的是一種繼承關係,一個類只能使用一次繼承關係。但是,一個類卻可以實現多個interface。也許,這是Java語言的設計者在考慮Java對於多重繼承的支持方面的一種折中考慮吧。
 
其次,在abstract class的定義中,我們可以賦予方法的默認行爲。但是在interface的定義中,方法卻不能擁有默認行爲(“擁有默認行爲”意思就是實現方法),爲了繞過這個限制,必須使用委託,但是這會增加一些複雜性,有時會造成很大的麻煩。
 
(1)在抽象類中不能定義默認行爲還存在另一個比較嚴重的問題,那就是可能會造成維護上的麻煩。因爲如果後來想修改類的界面(一般通過abstract class或者interface來表示)以適應新的情況(比如,添加新的方法或者給已用的方法中添加新的參數)時,就會非常的麻煩,可能要花費很多的時間(對於派生類很多的情況,尤爲如此)。但是如果界面是通過abstract class來實現的,那麼可能就只需要修改定義在abstract class中的默認行爲就可以了。
 
(2)同樣,如果不能在抽象類中定義默認行爲,就會導致同樣的方法實現出現在該抽象類的每一個派生類中,違反了"one rule,one place"原則,造成代碼重複,同樣不利於以後的維護。因此,在abstract class和interface間進行選擇時要非常的小心。
 
四.從設計理念層面看abstract class和interface
 
上面主要從語法定義和編程的角度論述了abstract class和interface的區別,這些層面的區別是比較低層次的、非本質的。本小節將從另一個層面:abstract class和interface所反映出的設計理念,來分析一下二者的區別。作者認爲,從這個層面進行分析才能理解二者概念的本質所在。
 
前面已經提到過,abstarctclassJava語言中體現了一種繼承關係,要想使得繼承關係合理,父類和派生類之間必須存在"is a"關係,即父類和派生類在概念本質上應該是相同的。對於interface來說則不然,並不要求interface的實現者和interface定義在概念本質上是一致的,僅僅是實現了interface定義的契約而已。爲了使論述便於理解,下面將通過一個簡單的實例進行說明。
 
考慮這樣一個例子,假設在我們的問題領域中有一個關於Door的抽象概念,該Door具有執行兩個動作open和close,此時我們可以通過abstract class或者interface來定義一個表示該抽象概念的類型,定義方式分別如下所示:
 
使用abstract class方式定義Door:
 
abstract class Door{
abstract void open();
abstract void close();
}
 
使用interface方式定義Door:
 
interface Door{
void open();
void close();
}
 
其他具體的Door類型可以extends使用abstract class方式定義的Door或者implements使用interface方式定義的Door。看起來好像使用abstract class和interface沒有大的區別。
問題出現了:如果現在要求Door還要具有報警的功能。我們該如何設計針對該例子的類結構呢?(在本例中,主要是爲了展示abstract class和interface反映在設計理念上的區別,其他方面無關的問題都做了簡化或者忽略)下面將羅列出可能的解決方案,並從設計理念層面對這些不同的方案進行分析。
 
解決方案一:
 
簡單的在Door的定義中增加一個alarm方法,如下:
 
abstract class Door{
abstract void open();
abstract void close();
abstract void alarm();
}
 
或者
interfaceDoor{
void open();
void close();
void alarm();
}
 
那麼具有報警功能的AlarmDoor的定義方式如下:
 
class AlarmDoor extends Door{
voidopen(){…}
voidclose(){…}
voidalarm(){…}
}
 
或者
 
class AlarmDoor implements Door{
void open(){…}
void close(){…}
void alarm(){…}
 
這種方法違反了面向對象設計中的一個核心原則ISP(Interface Segregation Priciple),在Door的定義中把Door概念本身固有的行爲方法和另外一個概念"報警器"的行爲方法混在了一起。這樣引起的一個問題是那些僅僅依賴於Door這個概念的模塊會因爲"報警器"這個概念的改變(比如:修改alarm方法的參數)而改變,反之依然。
通俗點說,並不是每個門都會有報警器。
 
解決方案二:
既然open、close和alarm屬於兩個不同的概念,根據ISP原則應該把它們分別定義在代表這兩個概念的抽象類中。定義方式有:這兩個概念都使用abstract class方式定義;兩個概念都使用interface方式定義;一個概念使用abstract class方式定義,另一個概念使用interface方式定義。
 
顯然,由於Java語言不支持多重繼承,所以兩個概念都使用abstract class方式定義是不可行的。後面兩種方式都是可行的,但是對於它們的選擇卻反映出對於問題領域中的概念本質的理解、對於設計意圖的反映是否正確、合理。我們一一來分析、說明。
 
如果兩個概念都使用interface方式來定義,那麼就反映出兩個問題:1、我們可能沒有理解清楚問題領域,AlarmDoor在概念本質上到底是Door還是報警器?2、如果我們對於問題領域的理解沒有問題,比如:我們通過對於問題領域的分析發現AlarmDoor在概念本質上和Door是一致的,那麼我們在實現時就沒有能夠正確的揭示我們的設計意圖,因爲在這兩個概念的定義上(均使用interface方式定義)反映不出上述含義。
 
如果我們對於問題領域的理解是:AlarmDoor在概念本質上是Door,同時它有具有報警的功能。我們該如何來設計、實現來明確的反映出我們的意思呢?前面已經說過,abstract class在Java語言中表示一種繼承關係,而繼承關係在本質上是"is a"關係。所以對於Door這個概念,我們應該使用abstarct class方式來定義。另外,AlarmDoor又具有報警功能,說明它又能夠完成報警概念中定義的行爲,所以報警概念可以通過interface方式定義。如下所示:
 
abstract class Door{
abstract void open();
abstract void close();
}
 
interface Alarm{
void alarm();
}
 
class AlarmDoor extendsDoor implements Alarm{
//你想在你的門有報警功能,你最好不要去修改door,所以用一個接口實現
void open(){…}
void close(){…}
void alarm(){…}
}
 
這種實現方式基本上能夠明確的反映出我們對於問題領域的理解,正確的揭示我們的設計意圖。其實abstract class表示的是"is a"關係,interface表示的是"like a"關係,大家在選擇時可以作爲一個依據,當然這是建立在對問題領域的理解上的,比如:如果我們認爲AlarmDoor
在概念本質上是報警器,同時又具有Door的功能,那麼上述的定義方式就要反過來了。
重心:什麼時候使用Abstract class,什麼時候使用interface?
  我的理解是:  如果一類抽象中,可以添加默認的實現,則用Abstract class。其他情況最好用interface,因爲interface比Abstract class要靈活。
  比如前面的例子,假設所有的doo都是通過鑰匙開鎖實現open,則door可抽成Abstract class,這樣代碼的公用性就更好,每一個類公用這一段代碼。
abstract class Door{
abstract void open(){
        ... openWithKey ...
};
abstract void close();
}
 抽象類可以提供某些方法的實現。如果向抽象類中加入一個新的具體的方法,那麼所有的子類一下子就得到了這個方法。接口做不到這一點!(這也許是抽象類的唯一優點)。
  參考抽象類設計原則:
  1,   抽象類應當擁有儘可能多的代碼!(公用方法)。代碼集中於抽象的方向。
  2,   抽象類應當擁有儘可能少的數據!(公共屬性)。數據集中於具體的方向。
  第二,需要考慮:一個類只能繼承一個直接父類,但一個類可以實現多個接口。就象前面講的open、close和alarm兩個概念都使用abstract class方式定義是不可能的。這使抽象類作爲類型定義工具的效能落後於接口。接口是定義混合類型(實現多從繼承)的理想工具。
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