Java 接口和抽象類的區(qū)別詳解

更新時(shí)間：2021年05月21日 09:51:09 作者：yanliang

在面向?qū)ο缶幊讨?，抽象類和接口是兩個(gè)經(jīng)常被用到的語法概念，是面向?qū)ο笏拇筇匦?，以及很多設(shè)計(jì)模式、設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)原則編程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本文將主要講解二者的區(qū)別

什么是抽象類和接口？區(qū)別在哪里？

不同的編程語言對接口和抽象類的定義方式可能有些差別，但是差別并不大。本文使用 Java 語言。

抽象類

下面我們通過一個(gè)例子來看一個(gè)典型的抽象類的使用場景。

Logger 是一個(gè)記錄日志的抽象類，F(xiàn)ileLogger 和 MessageQueueLogger 繼承Logger，分別實(shí)現(xiàn)兩種不同的日志記錄方式：

記錄日志到文件中
記錄日志到消息隊(duì)列中

FileLogger 和 MessageQueuLogger 兩個(gè)子類復(fù)用了父類 Logger 中的name、enabled 以及 minPermittedLevel 屬性和 log 方法，但是因?yàn)閮蓚€(gè)子類寫日志的方式不同，他們又各自重寫了父類中的doLog方法。

父類

import java.util.logging.Level;

/**
 * 抽象父類
 * @author yanliang
 * @date 9/27/2020 5:59 PM
 */
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);
}

FileLogger

import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.Writer;
import java.util.logging.Level;

/**
 * 抽象類Logger的子類：輸出日志到文件中
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 4:44 PM
 */
public class FileLogger extends Logger {

    private Writer fileWriter;

    public FileLogger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel, String filePath) throws IOException {
        super(name, enabled, minPermittedLevel);
        this.fileWriter = new FileWriter(filePath);
    }

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

MessageQueuLogger

import java.util.logging.Level;

/**
 * 抽象類Logger的子類：輸出日志到消息隊(duì)列中
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:39 PM
 */
public class MessageQueueLogger extends Logger {

    private MessageQueueClient messageQueueClient;

    public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel, MessageQueueClient messageQueueClient) {
        super(name, enabled, minPermittedLevel);
        this.messageQueueClient = messageQueueClient;
    }

    @Override
    protected void doLog(Level level, String message) {
        // 格式化level 和 message，輸出到消息隊(duì)列中
        messageQueueClient.send(...)
    }
}

通過上面的例子，我們來看下抽象類有哪些特性。

抽象類不能被實(shí)例化，只能被繼承。（new 一個(gè)抽象類，會報(bào)編譯錯(cuò)誤）
抽象類可以包含屬性和方法。方法既可以包含實(shí)現(xiàn)，也可以不包含實(shí)現(xiàn)。不包含實(shí)現(xiàn)的方法叫做抽象方法
子類繼承抽象類，必須實(shí)現(xiàn)抽象類中的所有抽象方法。

接口

同樣的，下面我們通過一個(gè)例子來看下接口的使用場景。

/**
 * 過濾器接口
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:46 PM
 */
public interface Filter {
    void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException;
}

/**
 * 接口實(shí)現(xiàn)類：鑒權(quán)過濾器
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:48 PM
 */
public class AuthencationFilter implements Filter {

    @Override
    public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
        // 鑒權(quán)邏輯
    }
}

/**
 * 接口實(shí)現(xiàn)類：限流過濾器
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:48 PM
 */
public class RateLimitFilter implements Filter{

    @Override
    public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
        // 限流邏輯
    }
}

/**
 * 過濾器使用demo
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:48 PM
 */
public class Application {
    // 過濾器列表
    private List<Filter> filters = new ArrayList<>();
    filters.add(new AuthencationFilter());
    filters.add(new RateLimitFilter());

    public void handleRpcRequest(RpcRequest req) {
        try {
            for (Filter filter : filters) {
                filter.doFilter(req);
            }
        } catch (RpcException e) {
            // 處理過濾結(jié)果
        }
        // ...
    }
}

上面的案例是一個(gè)典型的接口使用場景。通過Java中的 interface 關(guān)鍵字定義了一個(gè)Filter 接口，AuthencationFilter 和 RetaLimitFilter 是接口的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)類，分別實(shí)現(xiàn)了對Rpc請求的鑒權(quán)和限流的過濾功能。

下面我們來看下接口的特性：

接口不能包含屬性（也就是成員變量）
接口只能生命方法，方法不能包含代碼實(shí)現(xiàn)
類實(shí)現(xiàn)接口時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)接口中生命的所有方法。

綜上，從語法上對比，這兩者有比較大的區(qū)別，比如抽象類中可以定義屬性、方法的實(shí)現(xiàn)，而接口中不能定義屬性，方法也不能包含實(shí)現(xiàn)等。

除了語法特性的不同外，從設(shè)計(jì)的角度，這兩者也有較大區(qū)別。抽象類本質(zhì)上就是類，只不過是一種特殊的類，這種類不能被實(shí)例化，只能被子類繼承。屬于is-a的關(guān)系。接口則是 has-a 的關(guān)系，表示具有某些功能。對于接口，有一個(gè)更形象的叫法：協(xié)議（contract）

抽象類和接口解決了什么問題？

下面我們先來思考一個(gè)問題~

抽象類的存在意義是為了解決代碼復(fù)用的問題（多個(gè)子類可以繼承抽象類中定義的屬性哈方法，避免在子類中，重復(fù)編寫相同的代碼）。

那么，既然繼承本身就能達(dá)到代碼復(fù)用的目的，而且繼承也不一定非要求是抽象類。我們不適用抽象類，貌似也可以實(shí)現(xiàn)繼承和復(fù)用。從這個(gè)角度上講，我們好像并不需要抽象類這種語法呀。那抽象類除了解決代碼復(fù)用的問題，還有其他存在的意義嗎？

這里大家可以先思考一下哈~

我們還是借用上面Logger的例子，首先對上面的案例實(shí)現(xiàn)做一些改造。在改造之后的實(shí)現(xiàn)中，Logger不再是抽象類，只是一個(gè)普通的父類，刪除了Logger中的兩個(gè)方法，新增了 isLoggable()方法。FileLogger 和 MessageQueueLogger 還是繼承Logger父類已達(dá)到代碼復(fù)用的目的。具體代碼如下：

/**
 * 父類：非抽象類，就是普通的類
 * @author yanliang
 * @date 9/27/2020 5:59 PM
 */
public 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 boolean isLoggable(Level level) {
        return enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
    }

}

/**
 * 抽象類Logger的子類：輸出日志到文件中
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 4:44 PM
 */
public class FileLogger extends Logger {

    private Writer fileWriter;

    public FileLogger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel, String filePath) throws IOException {
        super(name, enabled, minPermittedLevel);
        this.fileWriter = new FileWriter(filePath);
    }

    protected void log(Level level, String message) {
        if (!isLoggable(level)) return ;
        // 格式化level 和 message，輸出到日志文件
        fileWriter.write(...);
    }
}

package com.yanliang.note.java.abstract_demo;

import java.util.logging.Level;

/**
 * 抽象類Logger的子類：輸出日志到消息隊(duì)列中
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:39 PM
 */
public class MessageQueueLogger extends Logger {

    private MessageQueueClient messageQueueClient;

    public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel, MessageQueueClient messageQueueClient) {
        super(name, enabled, minPermittedLevel);
        this.messageQueueClient = messageQueueClient;
    }

    protected void log(Level level, String message) {
        if (!isLoggable(level)) return ;
        // 格式化level 和 message，輸出到消息隊(duì)列中
        messageQueueClient.send(...)
    }
}

以上實(shí)現(xiàn)雖然達(dá)到了代碼復(fù)用的目的（復(fù)用了父類中的屬性），但是卻無法使用多態(tài)的特性了。

像下面這樣編寫代碼就會出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤，因?yàn)長ogger中并沒有定義log（）方法。

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

如果我們在父類中，定義一個(gè)空的log（）方法，讓子類重寫父類的log（）方法，實(shí)現(xiàn)自己的記錄日志邏輯。使用這種方式是否能夠解決上面的問題呢？大家可以先思考下~

這個(gè)思路可以用使用，但是并不優(yōu)雅，主要有一下幾點(diǎn)原因：

在Logger中定義一個(gè)空的方法，會影響代碼的可讀性。如果不熟悉Logger背后的設(shè)計(jì)思想，又沒有代碼注釋的話，在閱讀Logger代碼時(shí)就會感到疑惑（為什么這里會存在一個(gè)空的log（）方法）
當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新的子類繼承Logger父類時(shí)，有時(shí)可能會忘記重新實(shí)現(xiàn)log方法。之前是基于抽象類的設(shè)計(jì)思想，編譯器會強(qiáng)制要求子類重寫父類的log方法，否則就會報(bào)編譯錯(cuò)誤。
Logger可以被實(shí)例化，這也就意味著這個(gè)空的log方法有可能會被調(diào)用。這就增加了類被誤用的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，這個(gè)問題可以通過設(shè)置私有的構(gòu)造函數(shù)的方式來解決，但是不如抽象類優(yōu)雅。

抽象類更多是為了代碼復(fù)用，而接口更側(cè)重于解耦。接口是對行為的一種抽象，相當(dāng)于一組協(xié)議或者契約（可類比API接口）。調(diào)用者只需要關(guān)心抽象的接口，不需要了解具體的實(shí)現(xiàn)，具體的實(shí)現(xiàn)代碼對調(diào)用者透明。接口實(shí)現(xiàn)了約定和實(shí)現(xiàn)相分離，可以降低代碼間的耦合，提高代碼的可擴(kuò)展性。

實(shí)際上，接口是一個(gè)比抽象類應(yīng)用更加廣泛、更加重要的知識點(diǎn)。比如，我們經(jīng)常提到的 ”基于接口而非實(shí)現(xiàn)編程“ ,就是一條幾乎天天會用到的，并且能極大的提高代碼的靈活性、擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)思想。

如何模擬抽象類和接口

在前面列舉的例子中，我們使用Java的接口實(shí)現(xiàn)了Filter過濾器。不過，在 C++ 中只提供了抽象類，并沒有提供接口，那從代碼的角度上說，是不是就無法實(shí)現(xiàn) Filter 的設(shè)計(jì)思路了呢？大家可以先思考下 🤔 ~

我們先會議下接口的定義：接口中沒有成員變量，只有方法聲明，沒有方法實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)接口的類必須實(shí)現(xiàn)接口中的所有方法。主要滿足以上幾點(diǎn)從設(shè)計(jì)的角度上來說，我們就可以把他叫做接口。

實(shí)際上，要滿足接口的這些特性并不難。下面我們來看下實(shí)現(xiàn)：

class Strategy {
  public: 
    -Strategy();
    virtual void algorithm()=0;
  protected:
    Strategy();
}

抽象類 Strategy 沒有定義任何屬性，并且所有的方法都聲明為 virtual 類型（等同于Java中的abstract關(guān)鍵字），這樣，所有的方法都不能有代碼實(shí)現(xiàn)，并且所有繼承了這個(gè)抽象類的子類，都要實(shí)現(xiàn)這些方法。從語法特性上看，這個(gè)抽象類就相當(dāng)于一個(gè)接口。

處理用抽象類來模擬接口外，我們還可以用普通類來模擬接口。具體的Java實(shí)現(xiàn)如下所示：

public class MockInterface {
  protected MockInteface();
  public void funcA() {
    throw new MethodUnSupportedException();
  }
}

我們知道類中的方法必須包含實(shí)現(xiàn)，這個(gè)不符合接口的定義。但是，我們可以讓類中的方法拋出 MethodUnSupportedException 異常，來模擬不包含實(shí)現(xiàn)的接口，并且強(qiáng)迫子類來繼承這個(gè)父類的時(shí)候，都主動實(shí)現(xiàn)父類的方法，否則就會在運(yùn)行時(shí)拋出異常。

那又如何避免這個(gè)類被實(shí)例化呢？實(shí)際上很簡單，我們只需要將這個(gè)類的構(gòu)造函數(shù)聲明為 protected 訪問權(quán)限就可以了。

如何決定該用抽象還是接口？

上面的講解可能偏理論，現(xiàn)在我們就從真實(shí)項(xiàng)目開發(fā)的角度來看下。在代碼設(shè)計(jì)/編程時(shí)，什么時(shí)候該用接口？什么時(shí)候該用抽象類？

實(shí)際上，判斷的標(biāo)準(zhǔn)很簡單。如果我們需要一種is-a關(guān)系，并且是為了解決代碼復(fù)用的問題，就用抽象類。如果我們需要的是一種has-a關(guān)系，并且是為了解決抽象而非代碼復(fù)用問題，我們就用接口。

從類的繼承層次來看，抽象類是一種自下而上的設(shè)計(jì)思路，先有子類的代碼復(fù)用，然后再抽象成上層的父類（也就是抽象類）。而接口則相反，它是一種自上而下的設(shè)計(jì)思路，我們在編程的時(shí)候，一般都是先設(shè)計(jì)接口，再去思考具體實(shí)現(xiàn)。

好了，你是否掌握了上面的內(nèi)容呢。你可以通過一下幾個(gè)維度來回顧自檢一下：