介面與抽象類的使用時機
阿新 • • 發佈：2018-12-30
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？
在面向物件的概念中，我們知道所有的物件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物件的，如果一個類中沒有包含足夠的資訊來描繪一個具體的物件，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體的開發，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，所以用以表徵抽象概念的抽象類是不能夠例項化的。
在面向物件領域，抽象類主要用來進行型別隱藏。 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。模組可以操作一個 抽象體。由於模組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，也可擴充套件此模組的行為功能。熟悉OCP的讀者一定知 道，為了能夠實現面向物件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。
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 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可以有自己的資料成員，也可以有非 abstract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資料成員（也就是必須是static final 的，不過在interface中一般不定義資料成員），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。
從程式設計的角度來看，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(因為Java不支援多繼承 -- 轉註)。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對於多重繼承的支援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預設行為。但是在interface的定義中，方法卻不能擁有預設行為，為了繞過這個限制，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。
在 抽象類中不能定義預設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介面（一般通過 abstract class 或者interface來表示）以適應新的情況（比如，新增新的方法或者給已用的方法中添 加新的引數）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）。但是如果介面是通過abstract class來實現的，那 麼可能就只需要修改定義在abstract class中的預設行為就可以了。
同樣，如果不能在抽象類中定義預設行為，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 rule，one place" 原則，造成程式碼重複，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。
從設計理念層面看 abstract class 和 interface
上面主要從語法定義和程式設計的角度論述了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，abstract class在Java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。為了使論述便於理解，下面將通過一個簡單的例項進行說明。
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型別，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型別可以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物件設計中的一個核心原則 ISP (Interface Segregation Principle)，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這個概念的模組會因為"報警器"這個概念的改變（比如：修改alarm方法的引數）而改變，反 之依然。
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語言不支援多重繼承，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為，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 Alarm Door extends Door implements Alarm{
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為一個依據，當然這是建立在對問題領域的理解上的，比如：如果我們認為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。
小結
1.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。
2.在abstract class 中可以有自己的資料成員，也可以有非abstarct的成員方法，而在interface中，只能夠有靜態的不能被修改的資料成員（也就是必須是static final的，不過在 interface中一般不定義資料成員），所有的成員方法都是abstract的。
3.abstract class和interface所反映出的設計理念不同。其實abstract class表示的是"is-a"關係，interface表示的是"like-a"關係。
4.實現抽象類和介面的類必須實現其中的所有方法。抽象類中可以有非抽象方法。介面中則不能有實現方法。
5.介面中定義的變數預設是public static final 型，且必須給其初值，所以實現類中不能重新定義，也不能改變其值。
6.抽象類中的變數預設是 friendly 型，其值可以在子類中重新定義，也可以重新賦值。
7.介面中的方法預設都是 public,abstract 型別的。
在面向物件的概念中，我們知道所有的物件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物件的，如果一個類中沒有包含足夠的資訊來描繪一個具體的物件，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體的開發，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，所以用以表徵抽象概念的抽象類是不能夠例項化的。
在面向物件領域，抽象類主要用來進行型別隱藏。 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。模組可以操作一個 抽象體。由於模組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，也可擴充套件此模組的行為功能。熟悉OCP的讀者一定知 道，為了能夠實現面向物件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。
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 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可以有自己的資料成員，也可以有非 abstract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資料成員（也就是必須是static final 的，不過在interface中一般不定義資料成員），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。
從程式設計的角度來看，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(因為Java不支援多繼承 -- 轉註)。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對於多重繼承的支援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預設行為。但是在interface的定義中，方法卻不能擁有預設行為，為了繞過這個限制，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。
在 抽象類中不能定義預設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介面（一般通過 abstract class 或者interface來表示）以適應新的情況（比如，新增新的方法或者給已用的方法中添 加新的引數）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）。但是如果介面是通過abstract class來實現的，那 麼可能就只需要修改定義在abstract class中的預設行為就可以了。
同樣，如果不能在抽象類中定義預設行為，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 rule，one place" 原則，造成程式碼重複，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。
從設計理念層面看 abstract class 和 interface
上面主要從語法定義和程式設計的角度論述了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，abstract class在Java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。為了使論述便於理解，下面將通過一個簡單的例項進行說明。
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型別，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型別可以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物件設計中的一個核心原則 ISP (Interface Segregation Principle)，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這個概念的模組會因為"報警器"這個概念的改變（比如：修改alarm方法的引數）而改變，反 之依然。
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語言不支援多重繼承，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為，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 Alarm Door extends Door implements Alarm{
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為一個依據，當然這是建立在對問題領域的理解上的，比如：如果我們認為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。
小結
1.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。
2.在abstract class 中可以有自己的資料成員，也可以有非abstarct的成員方法，而在interface中，只能夠有靜態的不能被修改的資料成員（也就是必須是static final的，不過在 interface中一般不定義資料成員），所有的成員方法都是abstract的。
3.abstract class和interface所反映出的設計理念不同。其實abstract class表示的是"is-a"關係，interface表示的是"like-a"關係。
4.實現抽象類和介面的類必須實現其中的所有方法。抽象類中可以有非抽象方法。介面中則不能有實現方法。
5.介面中定義的變數預設是public static final 型，且必須給其初值，所以實現類中不能重新定義，也不能改變其值。
6.抽象類中的變數預設是 friendly 型，其值可以在子類中重新定義，也可以重新賦值。
7.介面中的方法預設都是 public,abstract 型別的。