设计模式学习笔记 - 面向对象 - 5.接口和抽象类的区别

陈建1112024-02-26 14:51

简述

在面向对象编程中，抽象类和接口是常被用到的语法概念，是面向对象四大特性，以及很多设计模式、设计思想、设计原则实现的基础。它们之间的区别是什么？什么时候用接口？什么时候用抽象类？抽象类和接口存在的意义是什么？等等

1.什么是抽象类和接口？它们有什么区别？

我们来看下 Java 语言中是如何定义抽象类的 。下面这段代码是一个比较典型的抽象类的使用场景（模板方法模式）。Logger 是一个记录日志的抽象类，FileLogger 和 MessageQueueLogger 继承 Logger ，分别实现两种不同的日志记录方式：记录日志到文件和记录日志到消息队列。FileLogger 和 MessageQueueLogger 两个子类复用了父类 Logger 中的 name、enabled、minPermittedLevel 属性和 log() 方法，但是因为这两个子类的写日志方式不同，它们又各种重写了父类中的 doLog() 方法。

java 复制代码 
// 抽象类
public abstract class Logger {
    private String name;
    private boolean enabled;
    private Level minPermittedLevel;

    public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {
        this.name = name;
        this.enabled = enabled;
        this.minPermittedLevel = minPermittedLevel;
    }

    public void log(Level level, String message) {
        boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
        if (!loggable) return;
        doLog(level, message);
    }

    protected abstract void doLog(Level level,String message);
}

// 抽象的子类：输出日志到文件
public class FileLogger extends Logger {
    private Writer fileWriter;
    public FileLogger(String name, boolean enabled,
                      Level minPermittedLevel, String filepath) {
        super(name, enabled, minPermittedLevel);
        this.fileWriter = new FileWriter(filepath);
    }

    @Override
    protected void doLog(Level level, String message) {
        // 格式化level和message，输出日志文件
        fileWriter.write(...);
    }
}

// 抽象的子类：输出日志到消息中间件（比如Kafka）
public class MessageQueueLogger extends Logger {
    private MessageQueueClient msgQueueClient;
    public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,
                              Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {
        super(name, enabled, minPermittedLevel);
        this.msgQueueClient = msgQueueClient;
    }

    @Override
    protected void doLog(Level level, String message) {
        // 格式化level和message，输出到消息中间件
        msgQueueClient.send(...);
    }
}

通过上面这个例子，我们来总结下抽象类的特性：

  • 抽象类不允许被实例化，只能被继承。
  • 抽象类可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现（比如 Logger 中的 log()），也可以不包含代码实现（比如 Logger 中的 doLog()）。不包含代码实现的方法叫做抽象方法。
  • 子类继承抽象类，必须实现抽象类中的所有抽象方法，对应到例子代码中，所有继承 Logger 的子类，都必须重写 doLog()。

再来看下，在 Java 语言中，如何定义接口

java 复制代码 
// 接口
public interface Filter {
    void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException;
}

// 接口实现类：鉴权过滤器
public class AuthFilter implements Filter {
    @Override
    public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
        // 鉴权逻辑...
    }
}

// 接口实现类：限流过滤器
public class RateLimitFilter implements Filter {
    @Override
    public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
        // 限流逻辑...
    }
}

// 过滤器使用Demo
public class Application {
    private List<Filter> filters = new ArrayList<>();
    // filters.add(new AuthFilter());
    // filters.add(new RateLimitFilter());

    public void handleRpcRequest(RpcRequest req) {
        try {
            for (Filter filter : filters) {
                filter.doFilter(req);
            }
        } catch (RpcException e) {
            // 处理过滤异常...
        }
        // 省略其他逻辑...
    }
}

上面这段代码是一个比较典型的接口的使用场景。我们通过 Java 语言中的 interface 关键字定义了一个 Filter 接口。AuthFilter 和 RateLimitFilter 是接口的两个实现类，分别实现了对 RPC 请求鉴权和限流的过滤功能。

总结下接口的三个特性：

  • 接口不能包含属性
  • 接口只能申明方法，方法不能包含代码实现。
  • 类实现接口的时候，必须实现接口类中声明的所有方法。

从语法特性上对比，两种有比较大的差别，比如抽象类中可以定义属性、实现方法，而接口中不能定义属性，方法也不能实现。除了语法特性，从设计角度，两种也是由较大的区别的。

抽象类实际上是类，只不过是一种特殊的类，这种类不能被实例化为对象，只能被子类继承。我们知道继承是一种 is-a 的的关系，那抽象类既然属于类，也表示一种 is-a 的关系。相对于抽象类的 is-a 来说，接口表示一种 has-a 关系，表示具有某些功能。对于接口，有一种更加形象的叫法，那就是协议（contract）。

2.抽象类和接口能解决什么问题？

首先，看一下为什么需要抽象类？它能够解决什么编程问题？

刚刚讲过抽象类不能实例化，只能被继承。而继承能解决代付复用问题，所以抽象类也是为代码复用而生的。多个子类可以继承抽象类中定义的熟悉和方法，避免在子类在编写重复的代码。

既然，继承本身能到到代码复用的目的，那不用抽象类也能实现继承和复用。那抽象类除了解决代码复用的问题，还有什么其他的意义吗？

还是之前日志的例子，来讲解。Logger 不再是抽象类，而是一个普通的父类，删除了 log()、doLog() 方法，新增了 isLoggable() 方法。FileLogger 和 MessageQueueLogger 还是继承 Logger ，以达到代码复用的目的。

java 复制代码 
// 父类：非抽象类，就是普通的类. 删除了log(),doLog()，新增了isLoggable().
public class Logger {
    private String name;
    private boolean enabled;
    private Level minPermittedLevel;

    public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {
        //...构造函数不变，代码省略...
    }

    public boolean isLoggable(Level level) {
        boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
        return loggable;
    }
}

// 子类：输出日志到文件
public class FileLogger extends Logger {
    private Writer fileWriter;
    public FileLogger(String name, boolean enabled,
                      Level minPermittedLevel, String filepath) {
        //...构造函数不变，代码省略...
    }
    public void log(Level level, String message) {
        if (!isLoggable(level)) return;
        // 格式化level和message,输出到日志文件
        fileWriter.write(...);
    }
}
// 子类: 输出日志到消息中间件(比如kafka)
public class MessageQueueLogger extends Logger {
    private MessageQueueClient msgQueueClient;
    public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,
                              Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {
        //...构造函数不变，代码省略...
    }
    public void log(Level level, String message) {
        if (!isLoggable(level)) return;
        // 格式化level和message,输出到消息中间件
        msgQueueClient.send(...);
    }
}

这个涉及思路虽然达到了代码复用的目的，但是无法使用多态特性了。像下面这样编写代码，就会出现编译报错。

java 复制代码 
Logger logger = new FileLogger("access-log", true, Level.WARN, "/file/access.log");
logger.log(Level.ERROR, "This is a test log message.");

你可以能会说，这个问题解决起来很简单啊，在 Logger 中定义一个空的 log() 方法，让子类重写父类的 log() 方法，实现自己的记录日志的逻辑，不就可以了吗？

java 复制代码 
public class Logger {
    // 省略其他代码...
    public void log(Level level, String message) { //do nothing... }
}

public class FileLogger extends Logger {
    // 省略其他代码...
    @Override
    public void log(Level level, String message) {
        if (!isLoggable(level)) return;
        // 格式化level和message,输出到日志文件
        fileWriter.write(...);
    }
}
public class MessageQueueLogger extends Logger {
    // 省略其他代码...
    @Override
    public void log(Level level, String message) {
        if (!isLoggable(level)) return;
        // 格式化level和message,输出到消息中间件
        msgQueueClient.send(...);
    }
}

这个设计思路虽然可以用，但是，它显然没有之前通过抽象类的实现思路优雅。主要有以下几点原因：

  • 在 Logger 中定义一个空的 log() 方法，会影响代码的可读性 。如果我们不熟悉 Logger 背后的设计思想，代码注释有不太好，我们在阅读 Logger 代码的时候，就可能对为什么定义一个空的 log() 方法感到疑惑，需要查看 Logger 、FileLogger、MessageQueueLogger 之间的继承关系，才能弄明白其设计意图。
  • 当创建一个新的子类继承 Logger 的时候，我们可能会忘记重新实现 log() 方法 。不像抽象类，编译器会强制要求子类重写 log() 方法。你可能会说，怎么可能会忘记重新实现呢？ 我们举个简单的例子，如果 Logger 代码有几百行，有 n 个方法，这个时候你很有可能会忘记重写 log() 方法。
  • Logger 可以被实例化 ，换句话说，我们可以 new 一个 Logger 出来，并调用空的 log() 方法。这增加了类被误用的风险。当然，这个问题可以通过设置私有的构造函数的方式来解决。不过显然没有通过抽象类来的优雅。

其次，我们再来看一下，我们为什么需要接口？它能解决什么问题？

抽象类更多的是为了代码复用，而接口就侧重于解耦。接口是对行为的一种抽象，相当于一组协议或契约，你可以类比 API 接口。调用者只需要关注抽象的接口，不需要了解具体的实现。接口实现了约定和实现分离，可以降低代码间的耦合性，提供代码的可扩展性。

实际上，接口是一个比较抽象类更加广发、更加重要的知识点。比如，我们经常提到的"基于接口而非实现编程"，就是一条几乎天天会被用到，并且能极大地提高代码的灵活性、扩展性的设计思想。

3. 如何决定该用抽象类还是接口？

实际上判断标准很简单。如果我们要表示一种 is-a 的关系，并且是为了解决代码复用的问题 ，我们就用抽象类 ；如果我们要表示一种 has-a 的关系，并且是为了解决抽象而非代码复用的问题 ，我们就用接口。

从类层次上来看，抽象类是一种自下而上的设计思路，现有子类的代付重复，然后再抽象成上层的父类（也就是抽象类）。而接口正好相反，它是一种自上而下的设计思路。我们在编程的时候，一般都是先设计接口，再去考虑具体实现。

总结

1.抽象类和接口的语法特性

抽象类不允许实例化，只能被继承。它可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现，也可以不包含代码实现。不包含代码实现的方法叫做抽象方法，必须由子类实现。

接口不能包含属性，只能声明方法，方法不能包含代码实现。类实现接口的时候，必须实现接口中申明的所有方法。

2.抽象类和接口的意义

抽象类是对成员变量和方法的抽象，是一种 is-a 的关系，是为了解决代付复用的问题。

接口仅是对方法的抽象，是一种 has-a 的关系，表示某一组行为特性，是为了解决解耦问题，隔离接口和具体的实现，提高带代码的可扩展性。

3.抽象类和接口的应用场景

判断标准很简单。

如果要表示一种 is-a 的关系，并且是为了解决代付复用的问题，我们就用抽象类。

如果要表示一种 has-a 的关系，并且是为了解决抽象而非代码复用问题，我们就用接口。

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