深入理解Java的接口和抽象类

深入理解Java的接口和抽象类

对于面向对象编程来说,抽象是它的三大特征之一。在Java中,可以通过两种形式来体现OOP的抽象:接口和抽象类。这两者有太多相似的地方,又有太多不同的地方。很多人在初学的时候会以为它们可以随意互换使用,但是实际则不然。今天我们就一起来学习一下Java中的接口和抽象类。下面是本文的目录:

一、抽象类

二、接口

三、抽象类和接口的区别

一、抽象类

(一)抽象方法

在了解抽象类之前,先来了解一下抽象方法。抽象方法是一种特殊的方法:它只有声明,而没有具体的实现。抽象方法的声明格式为:

[修饰符] abstract void methodName();

注意:抽象方法必须用abstract关键字进行修饰。

(二)抽象类概念

如果我们要在一个类中定义抽象方法,那么我们必须把这个类定义为抽象类(abstract class)

[修饰符] abstract class ClassName {
    abstract void methodName();
}

注意:

  • 抽象类必须在类前用abstract关键字修饰。
  • 无论一个类是否包含抽象方法,只要它被abstract修饰了,都是抽象类。

因为抽象类中含有无具体实现的方法,所以不能用抽象类创建对象,也就是无法实例化

ClassName c = new ClassName(); // 编译错误

无法实例化的抽象类有什么用?抽象类可以强迫子类实现其定义的抽象方法,否则编译会报错。也就是说,抽象类实际上是定义了一个==“规范”==,规定这一类的实例必须具有什么功能。

  • 所以说,抽象类就是为了继承而存在的,如果你定义了一个抽象类,却不去继承它,那么等于白白创建了这个抽象类,因为你不能用它来做任何事情。

(三)抽象类 vs 普通类

包含抽象方法的类称为抽象类,但并不意味着抽象类中只能有抽象方法,它和普通类一样,同样可以拥有成员变量和普通的成员方法。但是相较于普通类,抽象类主要有三点区别:

  1. 抽象方法必须为public或者protected(因为如果为private,则不能被子类继承,子类便无法实现该方法),缺省情况下默认为public。
  2. 抽象类不能用来创建对象。
  3. 如果一个类继承于一个抽象类,则子类必须实现父类的抽象方法。如果子类没有实现父类的抽象方法,则必须将子类也定义为为abstract类。

二、接口

在软件工程中,接口泛指供别人调用的方法或者函数。从这里,我们可以体会到Java语言设计者的初衷,它是对行为的抽象

接口(interface),和抽象类一样,是一个抽象类型,而且是比抽象类还要抽象的纯抽象接口,仅仅是抽象方法的集合,而不能有普通方法,并且一般情况下不在接口中定义变量。

在Java中,定一个接口的形式如下:

[修饰符] interface InterfaceName {
	void methodName();
}

接口中可以含有变量和方法。但是要注意:

  1. 接口中的变量,能且只能是public static final变量(用private修饰会报编译错误),所以定义时,会被隐式地指定为public static final,即我们不需要自己写修饰符。
  2. 接口中的方法,能且只能是public abstract方法(用其他关键字,比如private、protected、static、 final等修饰会报编译错误),所以定义时,会被隐式地指定为public abstract,即我们不需要自己写修饰符。
  3. 接口中所有的方法不能有具体的实现,也就是说,接口中的方法必须都是抽象方法。因此接口也不能用来创建对象。

接口和抽象类一样,实际上是定义了一个==“规范”==,规定实现这个接口的实例必须具有什么功能。

要让一个类实现接口,需要使用implements关键字,具体格式如下:

[修饰符] class ClassName implements Interface1, Interface2, ... {
}

可以看出,允许一个类实现多个接口。

如果一个非抽象类遵循了某个接口,就必须实现该接口中的所有方法;对于遵循某个接口的抽象类,可以不实现该接口中的抽象方法。

default方法

从 JDK 8开始,在接口中,可以定义default方法。例如,把Person接口的run()方法改为default方法:

interface Person {
    String getName();
    default void run() {
        System.out.println(getName() + " run");
    }
}

class Student implements Person {
    private String name;

    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return this.name;
    }
}

实现类可以不必覆写default方法。default方法的目的是,当我们需要给接口新增一个方法时,会涉及到修改全部子类。如果新增的是default方法,那么子类就不必全部修改,只需要在需要覆写的地方去覆写新增方法。

default方法和抽象类的普通方法是有所不同的。因为interface没有字段,default方法无法访问字段,而抽象类的普通方法可以访问实例字段。但是default方法使接口和抽象类一样,不再牵一发而动全身。

三、抽象类和接口的区别

(一)语法层面上的区别

抽象类 abstract class 接口 interface
父子关系 只能extends一个class 可以implements多个interface
字段 可以定义实例和静态字段 只能定义public static final字段,不能定义实例字段
抽象方法 可以定义抽象方法 可以定义抽象方法
非抽象方法 可以定义非抽象方法 可以定义default方法
静态方法 可以有静态代码块和静态方法 不能含有静态代码块以及静态方法

(二)设计层面上的区别

1. 抽象层面不同

抽象类是对事物进行抽象,包括这个事物的属性、行为;而接口则是对事物的行为进行抽象。

举个简单的例子:

  • 飞机和鸟是不同类的事物,但是它们都有一个共性,就是都会飞。那么在设计的时候,可以将飞机设计为一个类Airplane,将鸟设计为一个类Bird
  • 但是不能将飞行 这个特性也设计为类,因此它只是一个行为特性,并不是对一类事物的抽象描述。
  • 此时可以将飞行 设计为一个接口Fly,包含方法fly(),然后AirplaneBird分别根据自己的需要实现Fly这个接口。
  • 然后至于有不同种类的飞机,比如战斗机、民用飞机等直接继承Airplane即可,对于鸟也是类似的,不同种类的鸟直接继承Bird类即可。

从这里可以看出:

  • 类的继承是一个“是不是”的关系。如果一个类继承了某个抽象类,则它必定是抽象类的种类。
  • 而接口的实现则是“有没有”、“会不会”的关系。如果一个类实现了某个接口,则它必须具备这个接口的功能。

2. 设计逻辑不同

抽象类作为很多子类的父类,它是一种公共的规范,它的所有子类都具有这些功能。更侧重于说明这个子类是什么

而接口是一种行为规范,它是一种拓展的规范,让一个事物可以做到它的类型所具有的公共功能以外的功能,也就是实现功能的拓展。更侧重于说明这个子类能干什么

比如说,我们举一个一个网上流传最广泛的例子——门和警报的例子:

门都有open()close()两个动作,假设我们通过抽象类和接口来定义这个抽象概念:

abstract class Door {
    public abstract void open();
    public abstract void close();
}

或者:

interface Door {
    public abstract void open();
    public abstract void close();
}

现在如果我们需要让门具有报警alarm()的功能,那么该如何实现?下面提供两种思路:

  1. 将这三个功能都放在抽象类里面,但是这样一来所有继承于这个抽象类的子类都具备了报警功能,但是有的门并不一定具备报警功能;
  2. 将这三个功能都放在接口里面,需要用到报警功能的类就需要实现这个接口中的open()close(),但是也许这个类根本就不具备open()close()这两个功能,比如火灾报警器。

从这里可以看出,Dooropen()close()功能和拓展的alarm()功能根本就属于两个不同范畴内的行为,open()close()属于门本身固有的公共行为,而alarm()属于延伸的附加行为。

因此最好的解决办法是将Door设计为单独的一个抽象类,包含open()close()两种行为;然后单独将报警这个拓展功能设计为一个接口,包含alarm()行为。再设计一个报警门继承Door类和实现Alarm接口。

interface Alram {
    void alarm();
}
 
abstract class Door {
    void open();
    void close();
}
 
class AlarmDoor extends Door implements Alarm {
    void oepn() {
      //....
    }
    void close() {
      //....
    }
    void alarm() {
      //....
    }
}

合理设计interfaceabstract class的关系,可以充分复用代码。

参考Java的集合类定义的一组接口、抽象类以及具体子类的继承关系:

┌───────────────┐
│   Iterable    │
└───────────────┘
        ▲                ┌───────────────────┐
        │                │      Object       │
┌───────────────┐        └───────────────────┘
│  Collection   │                  ▲
└───────────────┘                  │
        ▲     ▲          ┌───────────────────┐
        │     └──────────│AbstractCollection │
┌───────────────┐        └───────────────────┘
│     List      │                  ▲               ┌───────────────┐
└───────────────┘                  │               │     Queue     │
              ▲          ┌───────────────────┐     └───────────────┘
              └──────────│   AbstractList    │              ▲
                         └───────────────────┘              │
                                ▲     ▲            ┌───────────────┐
                                │     │            │     Deque     │
                                │     │            └───────────────┘
                     ┌────────────┐ ┌────────────┐          ▲
                     │ ArrayList  │ │ LinkedList │──────────┘
                     └────────────┘ └────────────┘

在使用的时候,实例化的对象永远只能是某个具体的子类,但总是通过接口去引用它,因为我们使用这个类的时候,往往只关注这个对象的一些功能,而接口就是用来描述这些功能的:

Queue queue = new LinkedList(); // 用Queue接口引用具体子类的实例,强调我们需要的是队列这个数据结构及其功能
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