2013-01-27

Java

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接口和抽象类的区别

概述
- 抽象类
- 接口
理解抽象类（根据问题领域和设计意图）
从案例层面看Abstract和Interface
- 抽象类
- 接口
从语法定义层面看Abstract和Interface
从设计层面看Abstract和Interface（理解本质区别）
- 解决方案1
- 解决方案2
总结
- 抽象类
  - 性质
- 接口
  - 性质

概述

Abstract和Interface是Java语言中对于抽象类定义进行支持的两种机制，正是由于这两种机制的存在，才赋予了Java强大的面向对象能力。Abstract和Interface之间在对于抽象类定义的支持方面具有很大的相似性，甚至可以相互替换，因此很多开发者在进行抽象类定义时对于Abstract和Interface的选择显得比较随意。
其实，两者之间还是有很大的区别的，对于它们的选择甚至反映出对于问题领域本质的理解、对于设计意图的理解是否正确、合理。

抽象类

把相同的东西提取出来, 就是为了重用。

接口

程序里面固化的契约, 是为了降低偶合。

理解抽象类（根据问题领域和设计意图）

Abstract和Interface在Java语言中都是用来进行抽象类（本文中的抽象类并非从abstract class翻译而来，它表示的是一个抽象体，而是abstract class为Java语言中用于定义抽象类的一种方法，请读者注意区分）定义的，那么什么是抽象类，使用抽象类能带来什么好处呢？
在面向对象的概念中，知道所有的对象都是通过类来描绘的，但是反过来却不是这样。并不是所有的类都是用来描绘对象的，如果一个类中没有包含足够的信息来描绘一个具体的对象，这样的类就是抽象类。
抽象类往往用来表征在对问题领域进行分析（继承还是实现，继承是is a关系，表示是它的一个种类；实现是like a，像它，相当于功能的扩展）、设计中得出的抽象概念，是对一系列看上去不同，但是本质上相同的具体概念的抽象。
比如：进行一个图形编辑软件的开发，就会发现问题领域存在着圆、三角形这样一些具体概念，它们是不同的，但是它们又都属于形状这样一个概念，形状这个概念在问题领域是不存在的，它就是一个抽象概念。正是因为抽象的概念在问题领域没有对应的具体概念，所以用以表征抽象概念的抽象类是不能够实例化的，只能通过子类或者实现类去实例化。
在面向对象领域，抽象类主要用来进行类型隐藏。可以构造出一个固定的一组行为的抽象描述(抽象类或者接口)，但是这组行为却能够有任意个可能的具体实现方式(子类继承或者实现)。这个抽象描述就是抽象类，而这一组任意个可能的具体实现则表现为所有可能的派生类。模块可以操作一个抽象体。由于模块依赖于一个固定的抽象体（模块是子类），因此它可以是不允许修改的；同时，通过从这个抽象体派生，也可扩展此模块的行为功能。熟悉OCP的读者一定知道，为了能够实现面向对象设计的一个最核心的原则OCP(Open-Closed Principle)，抽象类是其中的关键所在。

从案例层面看Abstract和Interface

抽象类

抽象类, 它的作用归根到底其实就是为了重用。这个重用包含几个层次的重用, 都知道的方法重用，几个类有共同的特质，就把公用的东西提取出来，搞了个父类，而这个父类有些方法不知道怎么实现,就搞成抽象的吧. 所以抽象类就诞生了。

接口

接口，这是我想重点说的，因为我想让接口真正回归它本来的面目。接口就是契约，软件系统内部的契约。那电脑硬件打比方，内存条的卡口就规定好多长，卡位在哪。这样造主板的按这个契约留好口，造内存的外形也按这个造，都造好了，才能工作。任何一方不守规矩，直接导致造电脑失败。这个造电脑，主板跟内存接口是什么？看到的主板上那个卡口吗？不是，接口是内存厂商跟主板厂商之间的契约，这份契约可能是一份双方签字的文档，也可能是一个电话达成的共识。而编程语言的接口Interface，就对应那分签字的文档或是一个电话的共识，只是它是程序化了的，相关双方都没有办法违约的；我告诉你了我要这个接口，你也答应实现，那你就必须实现，否则编译就过不了；所以它是一种固化的强制的契约。

从语法定义层面看Abstract和Interface

在语法层面，Java语言对于Abstract和Interface给出了不同的定义方式，下面以定义一个名为Demo的抽象类为例来说明这种不同。
使用Abstract的方式定义Demo抽象类的方式如下。

abstract class Demo ｛  
     abstract void method1();  
     abstract void method2();  
     …  
｝

使用Interface的方式定义Demo抽象类的方式如下。

interface Demo {  
     void method1();  
     void method2();  
     …  
}

在Abstract方式中，Demo可以有自己的数据成员（常量或者属性），也可以有非abstarct的成员方法；而在interface方式的实现中，Demo只能够有静态的不能被修改的数据成员（也就是必须是static final的，不过在Interface中一般不定义数据成员），所有的成员方法都是Abstract的。从某种意义上说，Interface是一种特殊形式的Abstract(比抽象类更加抽象的类)。
从编程的角度来看，Abstract和Interface都可以用来实现design by contract的思想。但是在具体的使用上面还是有一些区别的。
首先，Abstract在Java语言中表示的是一种继承关系，一个类只能使用一次继承关系。(Java不允许多重继承，如：a继承b和c)，但是，一个类却可以实现多个Interface。也许，这是Java语言的设计者在考虑Java对于多重继承的支持方面的一种折中考虑吧。
其次，在Abstract的定义中，可以赋予方法的默认行为（在抽象类中，方法可以自己实现）。
但是在Interface的定义中，方法却不能拥有默认行为(方法只能声明，不能实现)，为了绕过这个限制，必须使用委托，但是这会增加一些复杂性，有时会造成很大的麻烦。
在抽象类中不能定义默认行为还存在另一个比较严重的问题，那就是可能会造成维护上的麻烦。因为如果后来想修改类的界面以适应新的情况时，比如添加新的方法或者给已用的方法中添加新的参数，就会非常的麻烦，可能要花费很多的时间（对于派生类很多的情况）。但是如果界面是通过Abstract来实现的，那么可能就只需要修改定义在Abstract中的默认行为就可以了。
同样，如果不能在抽象类中定义默认行为，就会导致同样的方法实现出现在该抽象类的每一个派生类中，违反了one rule,one place原则，造成代码重复，同样不利于以后的维护。因此，在Abstract和Interface间进行选择时要非常的小心。

从设计层面看Abstract和Interface（理解本质区别）

上面主要从语法定义和编程的角度论述了Abstract和Interface的区别，这些层面的区别是比较低层次的、非本质的。本小节将从另一个层面：Abstract和Interface所反映出的设计理念，来分析一下二者的区别。
Abstarct在Java语言中体现了一种继承关系，要想使得继承关系合理，父类和派生类之间必须存在is a关系，即父类和派生类在概念本质上应该是相同的。
对于Interface来说则不然，并不要求Interface的实现者和Interface定义在概念本质上是一致的，仅仅是实现了Interface定义的契约而已。为了使论述便于理解，下面将通过一个简单的实例进行说明。(接口相对于，对实现类的功能的扩展，但是接口和实现类又没有本质上的一致。与实现类有本质上一致的是抽象类)
考虑这样一个例子，假设在问题领域中有一个关于Door的抽象概念（门抽象概念），该Door具有执行两个动作open()和close()，此时可以通过Abstract或者Interface来定义一个表示该抽象概念的类型，定义方式分别如下所示。
使用Abstract方式定义Door。

abstract class Door {  
 abstract void open();  
 abstract void close()；  
}

使用Interface方式定义Door。

interface Door {  
 void open();  
 void close();  
}

其他具体的Door类型可以extends使用Abstract方式定义的Door或者implements使用Interface方式定义的Door。看起来好像使用Abstract和Interface没有大的区别。
如果现在要求Door还要具有报警的功能（实际上属于动作的）。如何设计针对该例子的类结构呢？在本例中，主要是为了展示Abstract和Interface反映在设计理念上的区别，其他方面无关的问题都做了简化或者忽略。
下面将罗列出可能的解决方案，并从设计理念层面对这些不同的方案进行分析。

解决方案1

简单的在Door的定义中增加一个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();  
}

子类或者实现类，那么具有报警功能的AlarmDoor的定义方式，如下。

class AlarmDoor extends Door {  
     void open() { … }  
     void close() { … }  
     void alarm() { … }  
}

或者

class AlarmDoor implements Door ｛  
     void open() { … }  
     void close() { … }  
     void alarm() { … }  
｝

这种方法违反了面向对象设计中的一个核心原则ISP（Interface Segregation Priciple），在Door的定义中把Door概念本身固有的行为方法和另外一个概念”报警器”的行为方法混在了一起。这样引起的一个问题是那些仅仅依赖于Door这个概念的模块会因为”报警器”这个概念的改变（比如：修改alarm方法的参数）而改变，反之依然。

解决方案2

既然open、close和alarm属于两个不同的概念，根据ISP原则：应该把它们分别定义在代表这两个概念的抽象类中。
定义方式有：

这两个概念都使用Abstract方式定义。
两个概念都使用Interface方式定义。
一个概念使用abstract方式定义，另一个概念使用Interface方式定义。

显然，由于Java语言不支持多重继承，所以两个概念都使用Abstract方式定义是不可行的。后面两种方式都是可行的，但是对于它们的选择却反映出，对于问题领域中的概念本质的理解、对于设计意图的反映是否正确、合理。

总结

如果两个概念都使用Interface方式来定义，那么就反映出两个问题：

理解清楚问题领域，AlarmDoor在概念本质上到底是Door还是报警器？
如果对于问题领域的理解没有问题，比如：通过对于问题领域的分析发现AlarmDoor在概念本质上和Door是一致的，那么在实现时就没有能够正确的揭示设计意图，因为在这两个概念的定义上（均使用Interface方式定义）反映不出上述含义。

如果对于问题领域的理解是：AlarmDoor在概念本质上是Door，同时它有具有报警的功能。该如何来设计、实现来明确的反映出问题的意思呢？
前面已经说过，abstract class在Java语言中表示一种继承关系，而继承关系在本质上是”is a”关系。所以对于Door这个概念，应该使用abstarct class方式来定义。（AlarmDoor在概念本质上是Door，本质上就应该使用继承，则就是抽象类）另外，AlarmDoor又具有报警功能，说明它又能够完成报警概念中定义的行为(行为：功能的意思)，所以报警概念可以通过Interface方式定义。(具有xxx功能，则是like a的关系，用接口)如下所示。

abstract class Door {  
     abstract void open();  
     abstract void close()；  
}  
interface Alarm {  
     void alarm();  
}  

//抽象类继承本质，接口实现功能
class AlarmDoor extends Door implements Alarm {  
     void open() { … }  
     void close() { … }  
     void alarm() { … }  
}

这种实现方式基本上能够明确的反映出对于问题领域的理解，正确的揭示设计意图。其实Abstract表示的是is a关系，interface表示的是like a关系，大家在选择时可以作为一个依据，当然这是建立在对问题领域的理解上的。
比如：如果AlarmDoor在概念本质上是报警器，同时又具有Door的功能，那么上述的定义方式就要反过来了。

抽象类

is a的关系，本质上一样的，用继承；则是使用抽象类。越顶层，越抽象。能够确定的通用动作比较多，抽象方法越多。

性质

可以有普通变量，普通方法，或者抽象方法。
子类只能继承一个抽象类。
子类选择性的覆写抽象方法，所以有了适配器模式。
抽象类可以定义构造函数，构造函数不是为了初始化操作，而是子类初始化的时候，会先初始化抽象类的构造函数（子类初始化之前，会调用父类的构造方法）。
抽象类可以定义静态方法。
一个抽象类可以实现多个接口。
接口
like a的关系，本质上不一定一样，用于对某一类的功能的扩展。
性质
final，static全局的变量，只能是抽象方法。
子类可以实现多个接口，接口可以实现多个接口。
接口不能定义构造函数。
接口不能定义静态方法。
接口不允许继承抽象类。

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