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抽象類(abstract class)和接口(interface)

2013-11-23 19:09:14  來源: Java核心技術 

  java中的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
  理解抽象類
  abstract class和interface在Java語言中都是用來進行抽象類(本文中的抽象類並非從abstract class翻譯而來它表示的是一個抽象體而abstract class為Java語言中用於定義抽象類的一種方法請讀者注意區分)定義的那麼什麼是抽象類使用抽象類能為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征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看上去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著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為抽象的概念在問題領域沒有對應的具體概念所以用以表征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們可以構造出一個固定的一組行為的抽象描述但是這組行為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為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為功能熟悉OCP的讀者一定知道為了能夠實現面向對象設計的一個最核心的原則OCP(OpenClosed Principle)抽象類是其中的關鍵所在
  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為Demo的抽象類為例來說明這種不同
  使用abstract class的方式定義Demo抽象類的方式如下
  abstract class Demo {
  abstract void method();
  abstract void method();
  …
  }
  使用interface的方式定義Demo抽象類的方式如下
  interface Demo {
  void method();
  void method();
  …
  }
  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
  對於abstract class和interface在語法定義層面更多的細節問題不是本文的重點不再贅述讀者可以參閱參考文獻〔〕獲得更多的相關內容
  從編程層面看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系一個類只能使用一次繼承關系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為但是在interface的定義中方法卻不能擁有默認行為為了繞過這個限制必須使用委托但是這會 增加一些復雜性有時會造成很大的麻煩
  在抽象類中不能定義默認行為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為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為如此)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中的默認行為就可以了
  同樣如果不能在抽象類中定義默認行為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 ruleone place原則造成代碼重復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
  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為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abstarct class在Java語言中體現了一種繼承關系要想使得繼承關系合理父類和派生類之間必須存在is a關系即父類和派生類在概念本質上應該是相同的(參考文獻〔〕中有關於is a關系的大篇幅深入的論述有興趣的讀者可以參考)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定義的契約而已為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
  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(在本例中主要是為了展示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
  interface Door {
  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 {
  void open() { … }
  void close() { … }
  void alarm() { … }
  }
  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概念本身固有的行為方法和另外一個概念報警器的行為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為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
  解決方案二
  既然openclose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?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為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系而繼承關系在本質上是is a關系所以對於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為所以報警概念可以通過interface方式定義如下所示
  abstract class Door {
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