Abstractclass和Interface的應用

Abstractclass和 interface是Java語言中對於抽象類定義進行支持的兩種機制,正是由於這兩種機制的存在,才賦予了Java強大的面向對象能力. abstractclass和interface之間在對於抽象類定義的支持方面具有很大的相似性,甚至可以相互替換,因此很多開發者在進行抽象類定義時對於abstractclass和interface的選擇顯得比較隨意.其實,兩者之間還是有很大的區別的,對於它們的選擇甚至反映出對於問題領域本質的理解、對於設計意圖的理解是否正確、合理.本文將對它們之間的區別進行一番剖析,試圖給開發者提供一個在二者之間進行選擇的依據.

理解抽象類

abstractclass和interface在Java語言中都是用來進行抽象類（本文中的抽象類並非從abstractclass翻譯而來,它表示的是一個抽象體,而abstractclass為Java語言中用於定義抽象類的一種方法,請讀者注意區分）定義的,那麼什麼是抽象類,使用抽象類能為我們帶來什麼好處呢？

在面向對象的概念中,我們知道所有的對象都是通過類來描繪的,但是反過來卻不是這樣.並不是所有的類都是用來描繪對象的,如果一個類中沒有包含足夠的信息來描繪一個具體的對象,這樣的類就是抽象類.抽象類往往用來表徵我們在對問題領域進行分析、設計中得出的抽象概念,是對一系列看上去不同,但是本質上相同的具體概念的抽象.比如：如果我們進行一個圖形編輯軟體的開發,就會發現問題領域存在著圓、三角形這樣一些具體概念,它們是不同的,但是它們又都屬於形狀這樣一個概念,形狀這個概念在問題領域是不存在的,它就是一個抽象概念.正是抽象的概念在問題領域沒有對應的具體概念,用以表徵抽象概念的抽象類是不能夠實例化的.

在面向對象領域,抽象類主要用來進行類型隱藏.我們可以構造出一個固定的一組行為的抽象描述,但是這組行為卻能夠有任意個可能的具體實現方式.這個抽象描述就是抽象類,而這一組任意個可能的具體實現則表現為所有可能的派生類.模塊可以操作一個抽象體.由於模塊依賴於一個固定的抽象體,因此它可以是不允許修改的；同時,通過從這個抽象體派生,也可擴展此模塊的行為功能.熟悉OCP的讀者一定知道,為了能夠實現面向對象設計的一個最核心的原則OCP（Open-ClosedPrinciple）,抽象類是其中的關鍵所在.

從語法定義層面看abstractclass和interface

在語法層面,Java語言對於abstractclass和interface給出了不同的定義方式,下面以定義一個名為Demo的抽象類為例來說明這種不同.

使用abstractclass的方式定義Demo抽象類的方式如下：

abstractclassDemo{abstractvoidmethod1（）；abstractvoidmethod2（）；…｝

使用interface的方式定義Demo抽象類的方式如下：

interfaceDemo{voidmethod1（）；voidmethod2（）；…}

在abstractclass方式中,Demo可以有自己的數據成員,也可以有非 abstarct的成員方法,而在interface方式的實現中,Demo只能夠有靜態的不能被修改的數據成員（也就是必須是staticfinal 的,不過在interface中一般不定義數據成員）,所有的成員方法都是abstract的.從某種意義上說,interface是一種特殊形式的 abstractclass.

從編程的角度來看,abstractclass和interface都可以用來實現"designbycontract"的思想.但是在具體的使用上面還是有一些區別的.

,abstractclass在Java語言中表示的是一種繼承關係,一個類只能使用一次繼承關係.但是,一個類卻可以實現多個interface.也許,這是Java語言的設計者在考慮Java對於多重繼承的支持方面的一種折中考慮吧.

其次,在abstractclass的定義中,我們可以賦予方法的默認行為.但是在interface的定義中,方法卻不能擁有默認行為,為了繞過這個限制,必須使用委託,但是這會增加一些複雜性,有時會造成很大的麻煩.

在抽象類中不能定義默認行為還存在另一個比較嚴重的問題,那就是可能會造成維護上的麻煩.如果後來想修改類的界面（一般通過abstractclass或者interface來表示）以適應新的情況（比如,添加新的方法或者給已用的方法中添加新的參數）時,就會非常的麻煩,可能要花費很多的時間（對於派生類很多的情況,尤為如此）.但是如果界面是通過abstractclass來實現的,那麼可能就只需要修改定義在abstractclass中的默認行為就可以了.

同樣,如果不能在抽象類中定義默認行為,就會導致同樣的方法實現出現在該抽象類的每一個派生類中,違反了"onerule,oneplace"原則,造成代碼重複,同樣不利於以後的維護.因此,在abstractclass和interface間進行選擇時要非常的小心.

從設計理念層面看abstractclass和interface

上面主要從語法定義和編程的角度論述了abstractclass和 interface的區別,這些層面的區別是比較低層次的、非本質的.本小節將從另一個層面：abstractclass和interface所反映出的設計理念,來分析一下二者的區別.作者認為,從這個層面進行分析才能理解二者概念的本質所在.

前面已經提到過,abstarctclass在Java語言中體現了一種繼承關係,要想是的繼承關係合理,父類和派生類之間必須存在"isa"關係,即父類和派生類在概念本質上應該是相同的（參考文獻〔3〕中有關於"isa"關係的大篇幅深入的論述,有興趣的讀者可以參考）.對於interface來說則不然,並不要求interface的實現者和interface定義在概念本質上是一致的,僅僅是實現了interface定義的契約而已.為了使論述便於理解,下面將通過一個簡單的實例進行說明.

考慮這樣一個例子,假設在我們的問題領域中有一個關於Door的抽象概念,該Door具有執行兩個動作open和close,此時我們可以通過abstractclass或者interface來定義一個表示該抽象概念的類型,定義方式分別如下所示：

使用abstractclass方式定義Door：

abstractclassDoor{abstractvoidopen（）；abstractvoidclose（）；}

使用interface方式定義Door：

interfaceDoor{voidopen（）；voidclose（）；}

其他具體的Door類型可以extends使用abstractclass方式定義的Door或者implements使用interface方式定義的Door.看起來好像使用abstractclass和interface沒有大的區別.

如果現在要求Door還要具有報警的功能.我們該如何設計針對該例子的類結構呢（在本例中,主要是為了展示abstractclass和interface反映在設計理念上的區別,其他方面無關的問題都做了簡化或者忽略）？下面將羅列出可能的解決方案,並從設計理念層面對這些不同的方案進行分析.

解決方案一：

簡單的在Door的定義中增加一個alarm方法,如下：

abstractclassDoor{abstractvoidopen（）；abstractvoidclose（）；abstractvoidalarm（）；}

或者

interfaceDoor{voidopen（）；voidclose（）；voidalarm（）；}

那麼具有報警功能的AlarmDoor的定義方式如下：

classAlarmDoorextendsDoor{voidopen（）{…}voidclose（）{…}voidalarm（）{…}}

或者

classAlarmDoorimplementsDoor{voidopen（）{…}voidclose（）{…}voidalarm（）{…}｝

這種方法違反了面向對象設計中的一個核心原則ISP （InterfaceSegregationPriciple）,在Door的定義中把Door概念本身固有的行為方法和另外一個概念"報警器"的行為方法混在了一起.這樣引起的一個問題是那些僅僅依賴於Door這個概念的模塊會"報警器"這個概念的改變（比如：修改alarm方法的參數）而改變,反之依然.

解決方案二：

既然open、close和alarm屬於兩個不同的概念,根據ISP原則應該把它們分別定義在代表這兩個概念的抽象類中.定義方式有：這兩個概念都使用abstractclass方式定義；兩個概念都使用interface方式定義；一個概念使用abstractclass方式定義,另一個概念使用interface方式定義.

顯然,由於Java語言不支持多重繼承,兩個概念都使用abstractclass方式定義是不可行的.後面兩種方式都是可行的,但是對於它們的選擇卻反映出對於問題領域中的概念本質的理解、對於設計意圖的反映是否正確、合理.我們一一來分析、說明.

如果兩個概念都使用interface方式來定義,那麼就反映出兩個問題：1、我們可能沒有理解清楚問題領域,AlarmDoor在概念本質上到底是Door還是報警器？2、如果我們對於問題領域的理解沒有問題,比如：我們通過對於問題領域的分析發現AlarmDoor在概念本質上和Door是一致的,那麼我們在實現時就沒有能夠正確的揭示我們的設計意圖,在這兩個概念的定義上（均使用interface方式定義）反映不出上述含義.

如果我們對於問題領域的理解是：AlarmDoor在概念本質上是Door,同時它有具有報警的功能.我們該如何來設計、實現來明確的反映出我們的意思呢？前面已經說過,abstractclass在Java語言中表示一種繼承關係,而繼承關係在本質上是"isa"關係.對於Door這個概念,我們應該使用abstarctclass方式來定義.另外,AlarmDoor又具有報警功能,說明它又能夠完成報警概念中定義的行為,報警概念可以通過interface方式定義.如下所示：

abstractclassDoor{abstractvoidopen（）；abstractvoidclose （）；}interfaceAlarm{voidalarm（）；}classAlarmDoorextendsDoorimplementsAlarm {voidopen（）{…}voidclose（）{…}voidalarm（）{…}}

這種實現方式基本上能夠明確的反映出我們對於問題領域的理解,正確的揭示我們的設計意圖.其實abstractclass表示的是"isa"關係,interface表示的是"likea"關係,大家在選擇時可以作為一個依據,當然這是建立在對問題領域的理解上的,比如：如果我們認為AlarmDoor在概念本質上是報警器,同時又具有Door的功能,那麼上述的定義方式就要反過來了.

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