在面向对象编程中,抽象类和接口是两个经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、设计原则编程实现的基础。

比如:我们可以使用接口来实现面向对象的抽象特性、多态特性和基于接口而非实现的设计原则,使用抽象类来实现面向对象的继承特性和模板设计模式等。

什么是抽象类和接口? 区别在哪里?

不同的编程语言对接口和抽象类的定义方式可能有些差别,但是差别并不大。本文使用 Java 语言。

抽象类

下面我们通过一个例子来看一个典型的抽象类的使用场景。

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:

  • 记录日志到文件中
  • 记录日志到消息队列中

FileLogger 和 MessageQueuLogger 两个子类复用了父类 Logger 中的name、enabled 以及 minPermittedLevel 属性和 log 方法,但是因为两个子类写日志的方式不同,他们又各自重写了父类中的doLog方法。

父类

import java.util.logging.Level;

/**
 * 抽象父类
 * @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);
	&#125;

	protected abstract void doLog(Level level, String message);
&#125;

FileLogger

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

/**
 * 抽象类Logger的子类:输出日志到文件中
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 4:44 PM
 */
public class FileLogger extends Logger &#123;

	private Writer fileWriter;

	public FileLogger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel, String filePath) throws IOException &#123;
		super(name, enabled, minPermittedLevel);
		this.fileWriter = new FileWriter(filePath);
	&#125;

	@Override
	protected void doLog(Level level, String message) &#123;
		// 格式化level 和 message,输出到日志文件
		fileWriter.write(...);
	&#125;
&#125;

MessageQueuLogger

import java.util.logging.Level;

/**
 * 抽象类Logger的子类:输出日志到消息队列中
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:39 PM
 */
public class MessageQueueLogger extends Logger &#123;
	
	private MessageQueueClient messageQueueClient;
	
	public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel, MessageQueueClient messageQueueClient) &#123;
		super(name, enabled, minPermittedLevel);
		this.messageQueueClient = messageQueueClient;
	&#125;

	@Override
	protected void doLog(Level level, String message) &#123;
		// 格式化level 和 message,输出到消息队列中
		messageQueueClient.send(...)
	&#125;
&#125;

通过上面的例子,我们来看下抽象类有哪些特性。

  • 抽象类不能被实例化,只能被继承。(new 一个抽象类,会报编译错误)
  • 抽象类可以包含属性和方法。方法既可以包含实现,也可以不包含实现。不包含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。

接口

同样的,下面我们通过一个例子来看下接口的使用场景。

/**
 * 过滤器接口
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:46 PM
 */
public interface Filter &#123;
	void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException;
&#125;

/**
 * 接口实现类:鉴权过滤器
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:48 PM
 */
public class AuthencationFilter implements Filter &#123;

	@Override
	public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException &#123;
		// 鉴权逻辑
	&#125;
&#125;

/**
 * 接口实现类:限流过滤器
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:48 PM
 */
public class RateLimitFilter implements Filter&#123;

	@Override
	public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException &#123;
		// 限流逻辑
	&#125;
&#125;

/**
 * 过滤器使用demo
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:48 PM
 */
public class Application &#123;
	// 过滤器列表
	private List<Filter> filters = new ArrayList<>();
	filters.add(new AuthencationFilter());
	filters.add(new RateLimitFilter());

	public void handleRpcRequest(RpcRequest req) &#123;
		try &#123;
			for (Filter filter : filters) &#123;
				filter.doFilter(req);
			&#125;
		&#125; catch (RpcException e) &#123;
			// 处理过滤结果
		&#125;
		// ...
	&#125;
&#125;

上面的案例是一个典型的接口使用场景。通过Java中的 interface 关键字定义了一个Filter 接口,AuthencationFilter 和 RetaLimitFilter 是接口的两个实现类,分别实现了对Rpc请求的鉴权和限流的过滤功能。

下面我们来看下接口的特性:

  • 接口不能包含属性(也就是成员变量)
  • 接口只能生命方法,方法不能包含代码实现
  • 类实现接口时,必须实现接口中生命的所有方法。

综上,从语法上对比,这两者有比较大的区别,比如抽象类中可以定义属性、方法的实现,而接口中不能定义属性,方法也不能包含实现等。

除了语法特性的不同外,从设计的角度,这两者也有较大区别。抽象类本质上就是类,只不过是一种特殊的类,这种类不能被实例化,只能被子类继承。属于is-a的关系。接口则是 has-a 的关系,表示具有某些功能。对于接口,有一个更形象的叫法:协议(contract)

抽象类和接口解决了什么问题?

下面我们先来思考一个问题~

抽象类的存在意义是为了解决代码复用的问题(多个子类可以继承抽象类中定义的属性哈方法,避免在子类中,重复编写相同的代码)。

那么,既然继承本身就能达到代码复用的目的,而且继承也不一定非要求是抽象类。我们不适用抽象类,貌似也可以实现继承和复用。从这个角度上讲,我们好像并不需要抽象类这种语法呀。那抽象类除了解决代码复用的问题,还有其他存在的意义吗?

这里大家可以先思考一下哈~

我们还是借用上面Logger的例子,首先对上面的案例实现做一些改造。在改造之后的实现中,Logger不再是抽象类,只是一个普通的父类,删除了Logger中的两个方法,新增了 isLoggable()方法。FileLogger 和 MessageQueueLogger 还是继承Logger父类已达到代码复用的目的。具体代码如下:

/**
 * 父类:非抽象类,就是普通的类
 * @author yanliang
 * @date 9/27/2020 5:59 PM
 */
public class Logger &#123;
	private String name;
	private boolean enabled;
	private Level minPermittedLevel;

	public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) &#123;
		this.name = name;
		this.enabled = enabled;
		this.minPermittedLevel = minPermittedLevel;
	&#125;

	public boolean isLoggable(Level level) &#123;
		return enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
	&#125;
	
&#125;

/**
 * 抽象类Logger的子类:输出日志到文件中
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 4:44 PM
 */
public class FileLogger extends Logger &#123;

	private Writer fileWriter;

	public FileLogger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel, String filePath) throws IOException &#123;
		super(name, enabled, minPermittedLevel);
		this.fileWriter = new FileWriter(filePath);
	&#125;

	protected void log(Level level, String message) &#123;
		if (!isLoggable(level)) return ;
		// 格式化level 和 message,输出到日志文件
		fileWriter.write(...);
	&#125;
&#125;

package com.yanliang.note.java.abstract_demo;

import java.util.logging.Level;

/**
 * 抽象类Logger的子类:输出日志到消息队列中
 * @author yanliang
 * @date 9/28/2020 6:39 PM
 */
public class MessageQueueLogger extends Logger &#123;

	private MessageQueueClient messageQueueClient;

	public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel, MessageQueueClient messageQueueClient) &#123;
		super(name, enabled, minPermittedLevel);
		this.messageQueueClient = messageQueueClient;
	&#125;

	protected void log(Level level, String message) &#123;
		if (!isLoggable(level)) return ;
		// 格式化level 和 message,输出到消息队列中
		messageQueueClient.send(...)
	&#125;
&#125;

以上实现虽然达到了代码复用的目的(复用了父类中的属性),但是却无法使用多态的特性了。

像下面这样编写代码就会出现编译错误,因为Logger中并没有定义log()方法。

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

如果我们在父类中,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逻辑。使用这种方式是否能够解决上面的问题呢? 大家可以先思考下~

这个思路可以用使用,但是并不优雅,主要有一下几点原因:

  • 在Logger中定义一个空的方法,会影响代码的可读性。如果不熟悉Logger背后的设计思想,又没有代码注释的话,在阅读Logger代码时就会感到疑惑(为什么这里会存在一个空的log()方法)
  • 当创建一个新的子类继承Logger父类时,有时可能会忘记重新实现log方法。之前是基于抽象类的设计思想,编译器会强制要求子类重写父类的log方法,否则就会报编译错误。
  • Logger可以被实例化,这也就意味着这个空的log方法有可能会被调用。这就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,但是不如抽象类优雅。

抽象类更多是为了代码复用,而接口更侧重于解耦。接口是对行为的一种抽象,相当于一组协议或者契约(可类比API接口)。调用者只需要关心抽象的接口,不需要了解具体的实现,具体的实现代码对调用者透明。接口实现了约定和实现相分离,可以降低代码间的耦合,提高代码的可扩展性。

实际上,接口是一个比抽象类应用更加广泛、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用到的,并且能极大的提高代码的灵活性、扩展性的设计思想。

如何模拟抽象类和接口

在前面列举的例子中,我们使用Java的接口实现了Filter过滤器。不过,在 C++ 中只提供了抽象类,并没有提供接口,那从代码的角度上说,是不是就无法实现 Filter 的设计思路了呢? 大家可以先思考下 🤔 ~

我们先会议下接口的定义:接口中没有成员变量,只有方法声明,没有方法实现,实现接口的类必须实现接口中的所有方法。主要满足以上几点从设计的角度上来说,我们就可以把他叫做接口。

实际上,要满足接口的这些特性并不难。下面我们来看下实现:

class Strategy &#123;
  public: 
    -Strategy();
    virtual void algorithm()=0;
  protected:
    Strategy();
&#125;

抽象类 Strategy 没有定义任何属性,并且所有的方法都声明为 virtual 类型(等同于Java中的abstract关键字),这样,所有的方法都不能有代码实现,并且所有继承了这个抽象类的子类,都要实现这些方法。从语法特性上看,这个抽象类就相当于一个接口。

处理用抽象类来模拟接口外,我们还可以用普通类来模拟接口。具体的Java实现如下所示:

public class MockInterface &#123;
  protected MockInteface();
  public void funcA() &#123;
    throw new MethodUnSupportedException();
  &#125;
&#125;

我们知道类中的方法必须包含实现,这个不符合接口的定义。但是,我们可以让类中的方法抛出 MethodUnSupportedException 异常,来模拟不包含实现的接口,并且强迫子类来继承这个父类的时候,都主动实现父类的方法,否则就会在运行时抛出异常。

那又如何避免这个类被实例化呢? 实际上很简单,我们只需要将这个类的构造函数声明为 protected 访问权限就可以了。

如何决定该用抽象还是接口?

上面的讲解可能偏理论,现在我们就从真实项目开发的角度来看下。在代码设计/编程时,什么时候该用接口?什么时候该用抽象类?

实际上,判断的标准很简单。如果我们需要一种is-a关系,并且是为了解决代码复用的问题,就用抽象类。如果我们需要的是一种has-a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。

从类的继承层次来看,抽象类是一种自下而上的设计思路,先有子类的代码复用,然后再抽象成上层的父类(也就是抽象类)。而接口则相反,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,再去思考具体实现。


好了,你是否掌握了上面的内容呢。你可以通过一下几个维度来回顾自检一下:

  • 抽象类和接口的语法特性
  • 抽象类和接口存在的意义
  • 抽象类和接口的应用场景有哪些

评论




Copyright 2019-2020 YANLIANG'S BLOG 载入天数...载入时分秒...