【JAVA】接口和抽象类有什么区别?

码农老张 后端 2023-02-14

前言

Java 是非常典型的面向对象语言,曾经有一段时间,程序员整天把面向对象、设计模式挂在嘴边。虽然如今大家对这方面已经不再那么狂热,但是不可否认,掌握面向对象设计原则和技巧,是保证高质量代码的基础之一。

本篇博文的重点是,接口和抽象类有什么区别? 

概述

接口和抽象类是 Java 面向对象设计的两个基础机制。

接口是对行为的抽象,它是抽象方法的集合,利用接口可以达到 API 定义和实现分离的目的。接口,不能实例化;不能包含任何非常量成员,任何 field 都是隐含着 public static final 的意义;同时,没有非静态方法实现,也就是说要么是抽象方法,要么是静态方法。Java 标准类库中,定义了非常多的接口,比如 java.util.List。

抽象类是不能实例化的类,用 abstract 关键字修饰 class,其目的主要是代码重用。除了不能实例化,形式上和一般的 Java 类并没有太大区别,可以有一个或者多个抽象方法,也可以没有抽象方法。抽象类大多用于抽取相关 Java 类的共用方法实现或者是共同成员变量,然后通过继承的方式达到代码复用的目的。Java 标准库中,比如 collection 框架,很多通用部分就被抽取成为抽象类,例如 java.util.AbstractList。

Java 类实现 interface 使用 implements 关键词,继承 abstract class 则是使 用 extends 关键词,我们可以参考 Java 标准库中的 ArrayList。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    //...
}
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正文

Java 相比于其他面向对象语言,如 C++,设计上有一些基本区别,比如 Java 不支持多继承。这种限制,在规范了代码实现的同时,也产生了一些局限性,影响着程序设计结构。Java 类可以实现多个接口,因为接口是抽象方法的集合,所以这是声明性的,但不能通过扩展多个抽象类来重用逻辑。

在一些情况下存在特定场景,需要抽象出与具体实现、实例化无关的通用逻辑,或者纯调用关系的逻辑,但是使用传统的抽象类会陷入到单继承的窘境。以往常见的做法是,实现由静态方法组成的工具类(Utils),比如 java.util.Collections。

设想,为接口添加任何抽象方法,相应的所有实现了这个接口的类,也必须实现新增方法,否则会出现编译错误。对于抽象类,如果我们添加非抽象方法,其子类只会享受到能力扩展,而不用担心编译出问题。

接口的职责也不仅仅限于抽象方法的集合,其实有各种不同的实践。有一类没有任何方法的接口,通常叫作 Marker Interface,顾名思义,它的目的就是为了声明某些东西,比如我们熟知的 Cloneable、Serializable 等。这种用法,也存在于业界其他的 Java 产品代码中。

从表面看,这似乎和 Annotation 异曲同工,也确实如此,它的好处是简单直接。对于 Annotation,因为可以指定参数和值,在表达能力上要更强大一些,所以更多人选择使用 Annotation。

Java 8 增加了函数式编程的支持,所以又增加了一类定义,即所谓 functional interface,简单说就是只有一个抽象方法的接口,通常建议使用 @FunctionalInterface Annotation 来标记。Lambda 表达式本身可以看作是一类 functional interface,某种程度上这和面向对象可以算是两码事。我们熟知的 Runnable、Callable 之类,都是 functional interface。

还有一点可能让人感到意外,严格说,Java 8 以后,接口也是可以有方法实现的!

从 Java 8 开始,interface 增加了对 default method 的支持。Java 9 以后,甚至可以定义 private default method。Default method 提供了一种二进制兼容的扩展已有接口的办法。比如,我们熟知的 java.util.Collection,它是 collection 体系的 root interface,在 Java 8 中添加了一系列 default method,主要是增加 Lambda、Stream 相关的功能。我在专栏前面提到的类似 Collections 之类的工具类,很多方法都适合作为 default method 实现在基础接口里面。

你可以参考下面代码片段:

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
     /**
     * Returns a sequential Stream with this collection as its source 
     * ...
     **/
     default Stream<E> stream() {
         return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
     }
  }
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面向对象设计

我们一定要清楚面向对象的基本要素:封装、继承、多态。

封装的目的是隐藏事务内部的实现细节,以便提高安全性和简化编程。封装提供了合理的边界,避免外部调用者接触到内部的细节。我们在日常开发中,因为无意间暴露了细节导致的难缠 bug 太多了,比如在多线程环境暴露内部状态,导致的并发修改问题。从另外一个角度看,封装这种隐藏,也提供了简化的界面,避免太多无意义的细节浪费调用者的精力。

继承是代码复用的基础机制,类似于我们对于马、白马、黑马的归纳总结。但要注意,继承可以看作是非常紧耦合的一种关系,父类代码修改,子类行为也会变动。在实践中,过度滥用继承,可能会起到反效果。

多态,你可能立即会想到重写(override)和重载(overload)、向上转型。简单说,重写是父子类中相同名字和参数的方法,不同的实现;重载则是相同名字的方法,但是不同的参数,本质上这些方法签名是不一样的,为了更好说明,请参考下面的样例代码:

public int doSomething() {
    return 0;
}
// 输入参数不同,意味着方法签名不同,重载的体现
public int doSomething(List<String> strs) {
    return 0;
}
// return类型不一样,编译不能通过
public short doSomething() {
    return 0;
}
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这里你可以思考一个小问题,方法名称和参数一致,但是返回值不同,这种情况在 Java 代码中算是有效的重载吗? 答案是不是的,编译都会出错的。

进行面向对象编程,掌握基本的设计原则是必须的,这里介绍最通用的部分,也就是所谓的 S.O.L.I.D 原则。

  • 单一职责(Single Responsibility),类或者对象最好是只有单一职责,在程序设计中如果发现某个类承担着多种义务,可以考虑进行拆分。
  • 开关原则(Open-Close, Open for extension, close for modification),设计要对扩展开放,对修改关闭。换句话说,程序设计应保证平滑的扩展性,尽量避免因为新增同类功能而修改已有实现,这样可以少产出些回归(regression)问题。
  • 里氏替换(Liskov Substitution),这是面向对象的基本要素之一,进行继承关系抽象时,凡是可以用父类或者基类的地方,都可以用子类替换。
  • 接口分离(Interface Segregation),我们在进行类和接口设计时,如果在一个接口里定义了太多方法,其子类很可能面临两难,就是只有部分方法对它是有意义的,这就破坏了程序的内聚性。对于这种情况,可以通过拆分成功能单一的多个接口,将行为进行解耦。在未来维护中,如果某个接口设计有变,不会对使用其他接口的子类构成影响。
  • 依赖反转(Dependency Inversion),实体应该依赖于抽象而不是实现。也就是说高层次模块,不应该依赖于低层次模块,而是应该基于抽象。实践这一原则是保证产品代码之间适当耦合度的法宝。 

OOP 原则实践中的取舍

值得注意的是,现代语言的发展,很多时候并不是完全遵守前面的原则的,比如,Java 10 中引入了本地方法类型推断和 var 类型。按照,里氏替换原则,我们通常这样定义变量:

List<String> list = new ArrayList<>();
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如果使用 var 类型,可以简化为

var list = new ArrayList<String>();
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但是,list 实际会被推断为 ArrayList<String>

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();
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理论上,这种语法上的便利,其实是增强了程序对实现的依赖,但是微小的类型泄漏却带来了书写的便利和代码可读性的提高,所以,实践中我们还是要按照得失利弊进行选择,而不是一味得遵循原则。 

后记

以上就是 【JAVA】接口和抽象类有什么区别? 的所有内容了;

对 Java 面向对象技术进行了梳理,对比了抽象类和接口,分析了 Java 语言在接口层面的演进和相应程序设计实现,最后回顾并实践了面向对象设计的基本原则,希望对你有所帮助。

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