Java学习笔记之抽象类

前言

在学习 Java 的过程中，当你觉得自己已经掌握了"类"和"继承"之后，abstract 这个关键字会突然冒出来，带来一个新概念------抽象类。它和普通类有什么区别？为什么要用它？什么时候该用它？这篇文章从普通类出发，讲清楚抽象类的来龙去脉。

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一、概念：什么是抽象类

1.1 从一个问题开始

假设你要设计一个"动物"系统。狗、猫、鸟......它们都有名字、都会吃东西，但"叫"的方式各不相同。你写了一个普通类 Animal：

// 动物
public class Animal {

    private String name;

    // 构造方法
    public Animal(String name) {
        this.name = name;
    }

    // 问题：动物都会叫，但怎么叫？
    // 狗是"汪汪"，猫是"喵喵"，鱼......不出声
    // 在 Animal 这个层面，你没法给出一个通用的实现
    public void makeSound() {
        // 空实现？------子类忘记重写也不会报错
        // 抛异常？------运行时才发现问题
    }

    // 普通方法
    public String getName() {
        return name;
    }

    public void eat() {
        System.out.println(name + " is eating.");
    }
}

问题出在哪？

Animal animal = new Animal("某动物"); // 能实例化！但"某动物"怎么叫？
animal.makeSound();                    // 空实现，什么也不做

// 如果某个子类忘记重写 makeSound()，编译器不会报错
// 只有运行时才发现"叫"没有效果

普通类有两个问题：

1. 无法阻止实例化------"动物"是一个抽象概念，不应该被直接创建
2. 无法强制子类实现某个方法------子类忘了重写，编译器也不报错

1.2 抽象类的定义

抽象类 就是在这两个问题的基础上诞生的。它在普通类前面加了 abstract 关键字，允许你定义没有方法体的方法（抽象方法），强制子类必须实现。

一句话理解：抽象类是一张"没画完的设计图"------总体框架有了，某些细节留给施工方去完成。

// 加 abstract 关键字 → 变成抽象类
public abstract class Animal {

    private String name;

    // 构造方法：和普通类一样
    public Animal(String name) {
        this.name = name;
    }

    // 加 abstract 关键字 → 抽象方法（没有方法体）
    // 子类必须实现，否则编译报错！
    public abstract void makeSound();

    // 普通方法：和普通类一样，有方法体
    public String getName() {
        return name;
    }

    public void eat() {
        System.out.println(name + " is eating.");
    }
}

和普通类相比，只变了三点：

变化	普通类	抽象类
类声明	class Animal	abstract class Animal（加了 abstract）
方法	全部必须有方法体	可以有没有方法体的抽象方法
实例化	可以 new	不能 new

除此之外，抽象类能做的，普通类都能做。

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二、性质：抽象类的完整特性

2.1 逐条说明

public abstract class Animal {

    // 1. 成员变量：和普通类完全一样，任意类型和访问修饰符
    private String name;                // 私有变量
    protected int age;                  // 受保护变量
    public static final int MAX_AGE = 200; // 常量
    private static int count = 0;       // 静态变量

    // 2. 构造方法：和普通类完全一样，支持重载
    //    虽然不能直接 new，但子类会通过 super() 调用它
    public Animal(String name) {
        this.name = name;
        count++;
    }

    public Animal(String name, int age) {
        this(name);
        this.age = age;
    }

    // 3. 抽象方法：普通类不能有，抽象类才能有
    //    没有方法体，子类必须实现（除非子类也是抽象类）
    public abstract void makeSound();

    // 4. 普通方法：和普通类完全一样
    public void eat() {
        System.out.println(name + " is eating.");
    }

    // 5. 静态方法：和普通类完全一样
    public static int getCount() {
        return count;
    }

    // 6. 可以继承另一个类（单继承）
    // 7. 可以实现接口（多实现）
    // 8. 可以有 final 方法（禁止子类重写）
    public final String getDescription() {
        return "This is " + name;
    }
}

2.2 特性对照表

性质	普通类	抽象类	变化说明
能否被实例化	能	不能	new Animal() 编译报错
能否有构造方法	能	能	不变------给子类通过 super() 调用
能否有成员变量	能	能	不变------任意类型和访问修饰符
能否有抽象方法	不能	能	新增能力------强制子类实现
能否有普通方法	能	能	不变
能否有静态方法	能	能	不变
能否有 final 方法	能	能	不变
继承父类	单继承	单继承	不变
实现接口	多实现	多实现	不变

可以看出，抽象类 = 普通类 + abstract 关键字 + 抽象方法 - 实例化能力。它是对普通类的小幅增强，而不是一个全新的概念。

2.3 抽象类的子类

// 狗------继承 Animal，实现自己的叫声
public class Dog extends Animal {

    public Dog(String name) {
        super(name); // 调用抽象类的构造方法
    }

    @Override  // 表示"我正在重写父类的方法"------如果方法签名写错了，编译器会报错
    public void makeSound() {
        System.out.println(getName() + ": 汪汪汪！");
    }

    // eat() 继承自 Animal，可以直接使用，也可以选择重写
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println(getName() + " is eating dog food.");
    }
}

// 猫------继承 Animal，实现自己的叫声
public class Cat extends Animal {

    public Cat(String name) {
        super(name); // 调用抽象类的构造方法
    }

    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println(getName() + ": 喵喵喵！");
    }
}

使用：

// Animal a = new Animal("xx");  // 编译错误！抽象类不能实例化
// 这正是我们想要的------"动物"是一个抽象概念，不应该被直接创建

Animal dog = new Dog("旺财");    // 多态：父类引用指向子类对象
dog.makeSound();                  // 旺财: 汪汪汪！
dog.eat();                        // 旺财 is eating dog food.

Animal cat = new Cat("咪咪");
cat.makeSound();                  // 咪咪: 喵喵喵！
cat.eat();                        // 咪咪 is eating.（未重写，用父类的）

// 如果某个子类忘记实现 makeSound()，编译器直接报错：
// "Dog is not abstract and does not override abstract method makeSound() in Animal"

什么是"多态"？ "多态"就是"同一个指令，不同的行为"。上面 dog.makeSound() 输出"汪汪汪"，cat.makeSound() 输出"喵喵喵"------同样是 makeSound()，不同对象有不同的表现。Java 通过"父类引用指向子类对象"（如 Animal dog = new Dog(...)）来实现多态，调用方法时会自动执行子类重写的版本。

2.4 抽象类还可以继承抽象类

// 顶层抽象类：定义所有动物的共同行为
public abstract class Animal {
    public abstract void makeSound();
}

// 中间层抽象类：宠物，扩展了"主人"属性，可以不实现父类抽象方法
public abstract class Pet extends Animal {
    private String owner;

    public Pet(String owner) {
        this.owner = owner;
    }

    public String getOwner() {
        return owner;
    }

    // Pet 也可以不实现 makeSound()，继续留给下一层子类
    public abstract String getPetType();
}

// 具体类：狗，必须实现所有继承链上的抽象方法
public class Dog extends Pet {

    public Dog(String owner) {
        super(owner);
    }

    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("汪汪汪！");
    }

    @Override
    public String getPetType() {
        return "Dog";
    }
}

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三、作用：为什么要用抽象类

抽象类的作用可以概括为三个词：约束、复用、模板。

3.1 约束------强制子类实现

// 没有 abstract：子类忘了重写也不报错，运行时才发现
public class Animal {
    public void makeSound() { }  // 空实现
}

// 有 abstract：子类忘了实现，编译直接报错
public abstract class Animal {
    public abstract void makeSound();  // 没有实现，必须由子类提供
}

价值：把运行时错误提前到编译期发现。

3.2 复用------共享公共代码

// 抽象类：共享公共属性和方法，子类只需实现差异部分
public abstract class Animal {

    private String name;

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

    // 所有子类共享这份代码，不用每个子类都写一遍
    public String getName() {
        return name;
    }

    public void eat() {
        System.out.println(name + " is eating.");
    }

    public void sleep() {
        System.out.println(name + " is sleeping.");
    }

    public abstract void makeSound();
}

3.3 模板------定义算法骨架

这是抽象类最核心的价值，详见下一节"经典场景"。

3.4 三大作用总结

作用	核心思想	解决的问题	关键字/机制
约束	强制子类实现	子类忘记重写，运行时才发现	abstract 方法
复用	共享公共代码	多个子类重复编写相同逻辑	普通方法 + 成员变量
模板	固定算法骨架，留出可变步骤	多个子类算法流程相同，仅步骤不同	final 模板方法 + abstract 步骤

三者的关系：

约束（abstract 方法）
  ↓ 强制子类实现
复用（普通方法 + 成员变量）
  ↓ 子类共享公共代码
模板（final 方法调用 abstract 方法）
  ↓ 固定流程，变化点留给子类

一句话总结：抽象类用 abstract 方法约束 子类必须实现什么，用普通方法和成员变量复用 公共代码，用模板方法模式把约束和复用组合成固定的算法骨架------这就是抽象类的全部价值。

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四、场景：抽象类的典型应用

4.1 模板方法模式（最核心的场景）

场景描述：多个子类有相同的算法流程，只是某些步骤不同。

/**
 * 模板方法模式：制作饮料
 * 抽象类定义流程骨架（模板），子类实现具体步骤
 */
public abstract class CaffeineBeverage {

    /**
     * 模板方法：定义为 final，防止子类重写算法骨架
     * 流程固定：烧水 → 冲泡 → 倒杯 → 加调料
     * 其中"冲泡"和"加调料"留给子类实现
     */
    public final void prepareRecipe() {
        boilWater(); // 烧水
        brew(); // 冲泡
        pourInCup(); // 倒杯
        if (customerWantsCondiments()) {
            addCondiments(); // 加调料
        }
    }

    // 公共实现：所有子类共享
    private void boilWater() {
        System.out.println("烧开水");
    }

    private void pourInCup() {
        System.out.println("倒入杯中");
    }

    // 抽象方法：子类必须实现
    protected abstract void brew();
    protected abstract void addCondiments();

    // 钩子方法：子类可以选择重写，也可以使用默认实现
    protected boolean customerWantsCondiments() {
        return true;
    }
}

什么是"钩子方法"？

"钩子"就是预留的一个"挂钩"------默认什么都不做（或返回 true），子类如果有特殊需求就"挂"上去（重写），没有就用默认的。

它和抽象方法的区别：抽象方法必须重写，钩子方法可以选择重写。 上面的 customerWantsCondiments() 就是一个钩子------咖啡不重写它（默认加调料），茶重写了它（不加调料）。

// 咖啡：冲泡咖啡粉，加糖和牛奶
public class Coffee extends CaffeineBeverage {

    @Override
    protected void brew() {
        System.out.println("用沸水冲泡咖啡粉");
    }

    @Override
    protected void addCondiments() {
        System.out.println("加糖和牛奶");
    }
}

// 茶：浸泡茶叶，通过钩子方法选择不加调料
public class Tea extends CaffeineBeverage {

    @Override
    protected void brew() {
        System.out.println("用沸水浸泡茶叶");
    }

    @Override
    protected void addCondiments() {
        System.out.println("加柠檬");
    }

    // 重写钩子方法
    @Override
    protected boolean customerWantsCondiments() {
        return false;
    }
}

使用：

CaffeineBeverage coffee = new Coffee();
coffee.prepareRecipe();
// 烧开水 → 用沸水冲泡咖啡粉 → 倒入杯中 → 加糖和牛奶

CaffeineBeverage tea = new Tea();
tea.prepareRecipe();
// 烧开水 → 用沸水浸泡茶叶 → 倒入杯中（不加调料）

设计思想 ：模板方法用 final 锁住算法骨架，用 abstract 留出可变步骤，用钩子方法提供可选的扩展点。这就是"开闭原则"------对扩展开放（新增子类），对修改关闭（不改模板）。

4.2 骨架实现模式（为接口提供默认实现）

场景描述：接口定义了很多方法，但大多数实现类只需要关心其中几个核心方法。抽象类提供一个"骨架"，把不关心的方法给出默认实现。

// 接口：定义了 8 个方法
public interface Logger {
    void trace(String msg);
    void debug(String msg);
    void info(String msg);
    void warn(String msg);
    void error(String msg);
    void fatal(String msg);
    String getName();
    void close();
}

// 抽象类：提供骨架实现，子类只需实现 1 个核心方法 doLog()
public abstract class AbstractLogger implements Logger {

    protected String name;
    protected int level; // 0=TRACE, 1=DEBUG, 2=INFO, 3=WARN, 4=ERROR, 5=FATAL

    public AbstractLogger(String name, int level) {
        this.name = name;
        this.level = level;
    }

    @Override
    public String getName() {
        return name;
    }

    // 所有日志级别都委托给同一个 doLog() 方法
    @Override
    public void trace(String msg) { if (level <= 0) doLog("TRACE", msg); }

    @Override
    public void debug(String msg) { if (level <= 1) doLog("DEBUG", msg); }

    @Override
    public void info(String msg)  { if (level <= 2) doLog("INFO", msg); }

    @Override
    public void warn(String msg)  { if (level <= 3) doLog("WARN", msg); }

    @Override
    public void error(String msg) { if (level <= 4) doLog("ERROR", msg); }

    @Override
    public void fatal(String msg) { if (level <= 5) doLog("FATAL", msg); }

    @Override
    public void close() { /* 默认什么都不做 */ }

    // 子类只需实现这个核心方法
    protected abstract void doLog(String level, String msg);
}

// 子类：只关心"怎么输出"，不用管日志级别判断
public class ConsoleLogger extends AbstractLogger {

    public ConsoleLogger(String name, int level) {
        super(name, level);
    }

    @Override
    protected void doLog(String level, String msg) {
        System.out.println("[" + level + "] " + name + " - " + msg);
    }
}

// 文件日志：将日志写入指定文件
public class FileLogger extends AbstractLogger {

    private String filePath;

    public FileLogger(String name, int level, String filePath) {
        super(name, level);
        this.filePath = filePath;
    }

    @Override
    protected void doLog(String level, String msg) {
        System.out.println("写入 " + filePath + ": [" + level + "] " + msg);
    }
}

使用：

Logger logger = new ConsoleLogger("APP", 2); // INFO 级别
logger.debug("不会输出");                      // 级别不够
logger.info("服务启动");                       // [INFO] APP - 服务启动
logger.error("连接超时");                      // [ERROR] APP - 连接超时

4.3 通用基类（共享状态和行为）

"状态"就是对象持有的数据，也就是成员变量（字段）。 比如 id 、createdAt、updatedAt就是状态------多个方法都要用它们，它们是对象内部共享的数据。

场景描述：多个类有相同的属性和方法，提取到抽象基类中。

// 通用实体基类：封装所有实体的公共字段（id、创建时间、更新时间）和通用行为
public abstract class BaseEntity {

    private Long id;
    private LocalDateTime createdAt;   // LocalDateTime 是 Java 8+ 提供的日期时间类，now() 获取当前时间
    private LocalDateTime updatedAt;

    // 公共逻辑
    public boolean isNew() {
        return id == null;
    }

    public void prePersist() {
        this.createdAt = LocalDateTime.now();
        this.updatedAt = LocalDateTime.now();
    }

    public void preUpdate() {
        this.updatedAt = LocalDateTime.now();
    }

    // getter/setter ...
}

// 用户实体：继承 BaseEntity，自动拥有 id、时间戳等公共字段
public class User extends BaseEntity {
    private String username;
    private String email;
}

// 订单实体：继承 BaseEntity，自动拥有 id、时间戳等公共字段
public class Order extends BaseEntity {
    private BigDecimal amount;  // BigDecimal 是 Java 中表示精确小数的类，比 double 更适合表示金额
    private String status;
}

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五、举例：完整的代码示例

5.1 图形面积计算

// 图形抽象类：定义面积和周长的计算契约，所有图形共享颜色属性
public abstract class Shape {

    private String color;

    public Shape(String color) {
        this.color = color;
    }

    // 抽象方法：每种图形的面积计算方式不同
    public abstract double area();

    // 抽象方法：每种图形的周长计算方式不同
    public abstract double perimeter();

    // 普通方法：所有图形共享
    public String getColor() {
        return color;
    }

    // 普通方法：基于抽象方法 area() 的组合逻辑
    public void printInfo() {
        System.out.println("颜色：" + color
                + "，面积：" + String.format("%.2f", area())
                + "，周长：" + String.format("%.2f", perimeter()));
    }
}

// 圆形：用半径计算面积（πr²）和周长（2πr）
public class Circle extends Shape {

    private double radius;

    public Circle(String color, double radius) {
        super(color);
        this.radius = radius;
    }

    @Override
    public double area() {
        return Math.PI * radius * radius;
    }

    @Override
    public double perimeter() {
        return 2 * Math.PI * radius;
    }
}

// 矩形：用长宽计算面积（w×h）和周长（2(w+h)）
public class Rectangle extends Shape {

    private double width;
    private double height;

    public Rectangle(String color, double width, double height) {
        super(color);
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    @Override
    public double area() {
        return width * height;
    }

    @Override
    public double perimeter() {
        return 2 * (width + height);
    }
}

// 三角形：用海伦公式计算面积，三条边之和为周长
public class Triangle extends Shape {

    private double a, b, c;

    public Triangle(String color, double a, double b, double c) {
        super(color);
        this.a = a;
        this.b = b;
        this.c = c;
    }

    @Override
    public double area() {
        double s = (a + b + c) / 2;
        return Math.sqrt(s * (s - a) * (s - b) * (s - c));
    }

    @Override
    public double perimeter() {
        return a + b + c;
    }
}

使用：

Shape[] shapes = {
    new Circle("红色", 5),
    new Rectangle("蓝色", 4, 6),
    new Triangle("绿色", 3, 4, 5)
};

for (Shape shape : shapes) {
    shape.printInfo();
}
// 颜色：红色，面积：78.54，周长：31.42
// 颜色：蓝色，面积：24.00，周长：20.00
// 颜色：绿色，面积：6.00，周长：12.00

5.2 员工工资计算

// 员工抽象类：不同类型员工的工资计算方式不同，getDetails() 复用抽象方法
public abstract class Employee {

    private String name;
    private int id;

    public Employee(String name, int id) {
        this.name = name;
        this.id = id;
    }

    // 抽象方法：不同类型员工的工资计算方式不同
    public abstract double calculateSalary();

    // 普通方法
    public String getDetails() {
        return "ID: " + id + ", 姓名: " + name
                + ", 工资: " + String.format("%.2f", calculateSalary());
    }

    public String getName() { return name; }
    public int getId() { return id; }
}

// 全职员工：固定月薪，工资 = monthlySalary
public class FullTimeEmployee extends Employee {

    private double monthlySalary;

    public FullTimeEmployee(String name, int id, double monthlySalary) {
        super(name, id);
        this.monthlySalary = monthlySalary;
    }

    @Override
    public double calculateSalary() {
        return monthlySalary;
    }
}

// 兼职员工：按小时计薪，工资 = 时薪 × 工时
public class PartTimeEmployee extends Employee {

    private double hourlyRate;
    private int hoursWorked;

    public PartTimeEmployee(String name, int id, double hourlyRate, int hoursWorked) {
        super(name, id);
        this.hourlyRate = hourlyRate;
        this.hoursWorked = hoursWorked;
    }

    @Override
    public double calculateSalary() {
        return hourlyRate * hoursWorked;
    }
}

// 提成员工：底薪 + 销售额 × 提成比例
public class CommissionEmployee extends Employee {

    private double baseSalary;
    private double salesAmount;
    private double commissionRate;

    public CommissionEmployee(String name, int id, double baseSalary,
                               double salesAmount, double commissionRate) {
        super(name, id);
        this.baseSalary = baseSalary;
        this.salesAmount = salesAmount;
        this.commissionRate = commissionRate;
    }

    @Override
    public double calculateSalary() {
        return baseSalary + salesAmount * commissionRate;
    }
}

使用：

List<Employee> employees = List.of(
    new FullTimeEmployee("张三", 1, 15000),
    new PartTimeEmployee("李四", 2, 50, 80),
    new CommissionEmployee("王五", 3, 5000, 100000, 0.05)
);

for (Employee e : employees) {
    System.out.println(e.getDetails());
}
// ID: 1, 姓名: 张三, 工资: 15000.00
// ID: 2, 姓名: 李四, 工资: 4000.00
// ID: 3, 姓名: 王五, 工资: 10000.00

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六、反例：抽象类的常见误用

6.1 只有抽象方法、没有状态的抽象类

// 反例：抽象类里只有抽象方法，没有任何成员变量和具体实现
// 这意味着抽象类的"复用"和"模板"两大作用都没用上
public abstract class Flyable {
    public abstract void fly();
}

// 正确做法：加上共享状态或具体方法，发挥抽象类的价值
public abstract class Flyable {

    private int altitude; // 共享状态：当前飞行高度

    public Flyable(int altitude) {
        this.altitude = altitude;
    }

    public abstract void fly();

    // 具体方法：复用逻辑
    public void checkAltitude() {
        if (altitude > 10000) {
            System.out.println("高度过高，请注意安全");
        }
    }
}

判断标准：如果一个抽象类里没有成员变量、没有具体方法，说明"复用"和"模板"的价值都没有发挥出来，需要重新审视是否有必要使用抽象类，可能使用接口更规范。

6.2 继承层次过深

// 反例：5 层继承，越来越难维护
public abstract class Vehicle { }
public abstract class MotorVehicle extends Vehicle { }
public abstract class FourWheelVehicle extends MotorVehicle { }
public abstract class Car extends FourWheelVehicle { }
public abstract class SUV extends Car { }
public class TeslaModelY extends SUV { }

// 正确做法：扁平化继承层次，或用组合代替继承
public abstract class Vehicle { }
public class TeslaModelY extends Vehicle { }

判断标准：继承层次超过 3 层就要警惕。考虑用组合（has-a）代替继承（is-a）。

6.3 抽象类承担过多职责

// 反例：上帝类，什么都往里塞
public abstract class BaseEntity {
    public abstract void validate();
    public abstract void save();
    public abstract void sendNotification();
    public String toJson() { return "{}"; }
}

// 正确做法：单一职责，抽象类只做一件事
public abstract class BaseEntity {
    private Long id;
    public abstract void validate();  // 只负责验证
    // save、toJson 等职责交给其他类
}

6.4 为了用抽象类而用抽象类

// 反例：只有一个子类，没有必要用抽象类
public abstract class Animal {
    public abstract void makeSound();
}

public class Dog extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() { System.out.println("汪"); }
}
// 只有一个 Dog，没有 Cat、Bird......抽象类毫无意义

// 正确做法：至少有两个子类时，才考虑提取抽象类

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七、速查清单

问题	答案
抽象类用什么修饰？	abstract class
抽象类能实例化吗？	不能
抽象类能有构造方法吗？	能，给子类通过 super() 调用
抽象类能有成员变量吗？	能，和普通类一样
抽象类能有普通方法吗？	能，和普通类一样
抽象类能有静态方法吗？	能，和普通类一样
一个抽象方法都没有的类可以是抽象类吗？	可以
子类必须实现所有抽象方法吗？	是，否则子类也要声明为 abstract
抽象类能实现接口吗？	能
抽象类能继承抽象类吗？	能
什么时候用抽象类？	多个子类有相同属性/行为 + 需要强制子类实现某些方法
典型设计模式？	模板方法模式

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八、面试口述：什么是抽象类

抽象类就是用 abstract 关键字修饰的类，它和普通类几乎一样，能拥有构造方法、成员变量、普通方法和静态方法，唯一的区别是：抽象类可以定义没有方法体的抽象方法，并且自身不能被实例化。子类继承抽象类后，必须实现所有抽象方法，否则子类自己也要声明为抽象类。这样就把运行时才能发现的问题提前到了编译期。

抽象类有三个核心作用：约束、复用、模板。约束是指用抽象方法强制子类必须实现某些行为；复用是指把公共的属性和方法放在抽象类中，避免子类重复编写；模板是指用 final 方法定义算法骨架，把可变的步骤声明为抽象方法让子类实现------这就是模板方法模式，也是抽象类最典型的应用场景。

需要注意的是，抽象类的构造方法虽然不能直接用来 new 对象，但子类会通过 super() 调用它，所以常用来做初始化和参数校验。另外，即使一个抽象方法都没有，类也可以声明为 abstract，纯粹用来禁止实例化。