Vergleichen Sie die Unterschiede zwischen abstrakten Klassen und Schnittstellen in Java

In der Java-Sprache sind abstrakte Klasse und Schnittstelle zwei Mechanismen, die die Definition abstrakter Klassen unterstützen. Gerade aufgrund der Existenz dieser beiden Mechanismen erhält Java leistungsstarke objektorientierte Fähigkeiten. Es gibt große Ähnlichkeiten zwischen abstrakten Klassen und Schnittstellen hinsichtlich der Unterstützung der Definition abstrakter Klassen und sie können sogar untereinander ersetzt werden. Daher scheinen viele Entwickler bei der Definition abstrakter Klassen eher locker mit der Wahl der abstrakten Klasse und Schnittstelle umzugehen. Tatsächlich gibt es einen großen Unterschied zwischen den beiden, und ihre Wahl spiegelt sogar wider, ob das Verständnis der Natur des Problembereichs und das Verständnis der Entwurfsabsicht richtig und vernünftig sind. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen ihnen analysiert und versucht, Entwicklern eine Grundlage für die Wahl zwischen den beiden zu bieten.

Abstrakte Klassen verstehen

Abstrakte Klasse und Schnittstelle werden beide zum Erstellen abstrakter Klassen in der Java-Sprache verwendet (die abstrakte Klasse in diesem Artikel ist nicht von „abstrakte Klasse“ übersetzt). Es stellt einen abstrakten Körper dar, und eine abstrakte Klasse ist eine Methode, mit der abstrakte Klassen in der Java-Sprache definiert werden. Welche Vorteile kann uns die Verwendung abstrakter Klassen bringen?

Im objektorientierten Konzept wissen wir, dass alle Objekte durch Klassen dargestellt werden, aber das Gegenteil ist nicht der Fall. Nicht alle Klassen werden zur Beschreibung von Objekten verwendet. Wenn eine Klasse nicht genügend Informationen zur Beschreibung eines bestimmten Objekts enthält, ist eine solche Klasse eine abstrakte Klasse. Abstrakte Klassen werden häufig verwendet, um die abstrakten Konzepte darzustellen, die wir aus der Analyse und Gestaltung von Problembereichen ableiten. Es handelt sich um Abstraktionen einer Reihe spezifischer Konzepte, die unterschiedlich aussehen, aber im Wesentlichen gleich sind. Wenn wir beispielsweise eine Grafikbearbeitungssoftware entwickeln, werden wir feststellen, dass es im Problembereich bestimmte Konzepte gibt, die unterschiedlich sind, aber alle zum Konzept der Form gehören die Problemdomäne. Wenn sie existiert, handelt es sich um ein abstraktes Konzept. Gerade weil abstrakte Konzepte keine entsprechenden spezifischen Konzepte in der Problemdomäne haben, können abstrakte Klassen, die zur Darstellung abstrakter Konzepte verwendet werden, nicht instanziiert werden.

Im objektorientierten Bereich werden abstrakte Klassen hauptsächlich zum Verbergen von Typen verwendet. Wir können eine abstrakte Beschreibung eines festen Satzes von Verhaltensweisen konstruieren, aber dieser Satz von Verhaltensweisen kann beliebig viele mögliche konkrete Implementierungen haben. Diese abstrakte Beschreibung ist die abstrakte Klasse, und diese Menge aller möglichen konkreten Implementierungen wird durch alle möglichen abgeleiteten Klassen repräsentiert. Module können auf einem abstrakten Körper arbeiten. Da ein Modul auf einer festen Abstraktion basiert, kann es nicht gleichzeitig geändert werden. Das Verhalten dieses Moduls kann auch durch Ableitung von dieser Abstraktion erweitert werden. Leser, die mit OCP vertraut sind, müssen wissen, dass für die Umsetzung von OCP (Open-Closed Principle), einem der Kernprinzipien des objektorientierten Designs, abstrakte Klassen der Schlüssel sind.

Betrachtung abstrakter Klassen und Schnittstellen von der grammatikalischen Definitionsebene aus

Auf der grammatikalischen Ebene bietet die Java-Sprache verschiedene Definitionsmethoden für abstrakte Klassen und Schnittstellen Als Beispiel zur Veranschaulichung dieses Unterschieds dient die abstrakte Klasse Demo.
Die Art und Weise, die abstrakte Demo-Klasse mithilfe der abstrakten Klasse zu definieren, ist wie folgt:

1 abstract class Demo｛2 　　abstract void method1();3 　　abstract void method2();4 …5 ｝

Die Art und Weise, die Schnittstelle zum Definieren der abstrakten Demo-Klasse zu verwenden, ist wie folgt:

1 interface Demo{2 　　void method1();3 　　void method2();4 …5 }

在abstract class方式中，Demo可以有自己的数据成员，也可以有非 abstract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 class。
　　从编程的角度来看，abstract class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 class 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(因为Java不支持多继承)。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 class的定义中，我们可以赋予方法的默认行为。但是在interface的定义中，方法却不能拥有默认行为，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（一般通过 abstract class 或者interface来表示）以适应新的情况（比如，添加新的方法或者给已用的方法中添 加新的参数时，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，尤为如此）。但是如果界面是通过abstract class来实现的，那 么可能就只需要修改定义在abstract class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 class和interface间进行选择时要非常的小心。

从设计理念层面看 abstract class 和 interface

　　上面主要从语法定义和编程的角度论述了abstract class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 class和interface所反映出的设计理念，来分析一下二者的区别。作者认为，从这个层面进行分析才能理解二者概念的本质所在。
　　前面已经提到过，abstract class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。
　　考虑这样一个例子，假设在我们的问题领域中有一个关于Door的抽象概念，该Door具有执行两个动作open和close，此时我们可以通过abstract class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 class方式定义Door：

1 abstract class Door{2 　　abstract void open();3 　　abstract void close()；4 }

     使用interface方式定义Door：

1 interface Door{
2 　　void open();
3 　　void close();
4 }

其他具体的Door类型可以extends使用abstract class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 class和interface没有大的区别。
　　如果现在要求Door还要具有报警的功能。我们该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 class 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。
　　解决方案一：
　　简单的在Door的定义中增加一个alarm方法，如下：

1 abstract class Door{2 　　abstract void open();3 　　abstract void close()；4 　　abstract void alarm();5 }

或者

1 interface Door{2 　　void open();3 　　void close();4 　　void alarm();5 }

那么具有报警功能的AlarmDoor的定义方式如下：

1 class AlarmDoor extends Door{2 　　void open(){…}3 　　void close(){…}4 　　void alarm(){…}5 }

或者

1 class AlarmDoor implements Door｛2 void open(){…}3 void close(){…}4 void alarm(){…}5 ｝

这种方法违反了面向对象设计中的一个核心原则 ISP (Interface Segregation Principle)，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。

　　解决方案二：
　　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 class 方式定义；两个概念都使用interface方式定义；一个概念 使用 abstract class 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 class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。我们一一来分析、说明。
　　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：1、我们可能没有 理解清楚问题领域，AlarmDoor在概念本质上到底是Door还是报警器？2、如果我们对于问题领域的理解没有问题，比如：我们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，那么我们在实现时就没有能够正确的揭示我们的设计意图，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。
　　如果我们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。我们该如何来设计、实现来明确的反映出我们的意思呢？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，我们应该使用abstarct class方式来定义。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，所以报警概念可以通过interface方式定义。如下所示：

 1 abstract class Door{ 2 　　abstract void open(); 3 　　abstract void close()； 4 } 5 interface Alarm{ 6 　　void alarm(); 7 } 8 class Alarm Door extends Door implements Alarm{ 9 　　void open(){…}10 　　void close(){…}11 　　void alarm(){…}12 }

这种实现方式基本上能够明确的反映出我们对于问题领域的理解，正确的揭示我们的设计意图。其 实abstract class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：如果我们认为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。

　　小结
　　1.abstract class 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。但是，一个类却可以实现多个interface。
　　2.在abstract class 中可以有自己的数据成员，也可以有非abstarct的成员方法，而在interface中，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。
　　3.abstract class和interface所反映出的设计理念不同。其实abstract class表示的是"is-a"关系，interface表示的是"like-a"关系。 
　　4.实现抽象类和接口的类必须实现其中的所有方法。抽象类中可以有非抽象方法。接口中则不能有实现方法。
　　5.接口中定义的变量默认是public static final 型，且必须给其初值，所以实现类中不能重新定义，也不能改变其值。抽象类中的变量默认是 friendly 型，其值可以在子类中重新定义，也可以重新赋值。 
　　7.接口中的方法默认都是 public,abstract类型的。

　　

 

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