[J2SE 基礎知識]2、抽象類和接口(下)

四、接口的高級用途

    一個接口被經常用得到的地方是Collection Framework。這個框架定義了一組非常重要的接口，它們是由一組多個類實現的。通過僅僅研究主要的接口，你可以有效的掌握整個框架，因爲特別的實現類一般不影響設計的整體。

例如，List接口定義了一個有序的元素集合。可用地實現包括ArrayList和LinkedList，它們都實現了List接口。當你的程序需要處理List時，不必考慮它是ArrayList還是LinkedList，只要知道所選用的類的屬性即可。這個屬性就是接口。

通過實現類的接口，並且在類設計時僅對外公佈接口，你就有效的封裝了類的定義，這樣後臺實現的變動將對系統其它部分的影響最小。

以ArrayList和LinkedList爲例。將ArrayList看作一個可增長的數組對象（指是存儲對象，而不是原始數據）。當類實現了List的全部接口時，它的特性在特定條件下是可以優化的。

例如，如果你的程序是要對對錶中的數據進行頻繁的隨機訪問，（例如，顯示第3，12，2，和25項數據）ArrayList類提供對列表中每一個數據快速查詢。快速查詢是以在列表中間添加和刪除數據的速度爲代價的。如果後一種行爲是你需要的，那麼LinkedList類是一個好的選擇。它提供快速的順序訪問、添加和刪除，但是，代價是慢速隨機查詢。

在處理ArrayList和LinkedList時，有兩種方式創建對象：

List cityList = new ArrayList() ;

LinkedList peopleList = new LinkedList() ;

兩個代碼段都是正確的，但是這兩行代碼之間存在的顯著的差別。第一行表示我們要創建一個ArrayList，但是我們只需要把它作爲一個List來訪問。第二行正好相反。是LinkedList項目被創建了，ArrayList也一樣。但是，聲明部分說明它只能作爲LinkedList來訪問，這就數它的最大區別。

理解接口真正變的重要是在這兩行代碼的用戶確定“查詢項目”比刪除（或添加）項目更爲重要時。

PeopleList變量被聲明爲LinkedList類型。這不是它本身的問題，因爲你研究的更深層次的內容，你將發現peopleList在任何地方都被作爲LinkedList對象處理。在你對peopleList使用LinkedList特有的方法的同時，如果你想把它作爲ArrayList來處理，將會出現問題。

List peopleList = new ArrayList() ;

通過學習僅使用接口來處理任何對象，你將發現在設計完成之後修改實現，你需要修改的僅僅是聲明部分，除此之外，沒有任何代碼改動。這就是接口的絕妙之處。因爲類的最初聲明是LinkedList，當類型變爲List時意味着象addFirst或addLast這樣的方法是無效的，因爲新的peopleList的類型是List，它沒有這些方法。

這種基於接口設計的代碼，就像Collection Framework所向大家承諾的那樣，任何人編寫的代碼是以循環構造方式進行的，而無需知道使用的是哪個Collection。創建的類是被限制爲提供接口的完全實現。除此之外，新代碼將不能被編譯。

作爲實例，下面的程序創建一組集合。每個集合提供一個系統定義的Iterator這樣集合的每個元素可以被訪問。這個iterator將被傳遞到幫助例程，在這裏集合的獨立元素將被打印。

import java.util.Arrays;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Set;
public class Interfaces
{
        public static void main(String args[])
        {
                Properties props = System.getProperties();
                Set keySet = props.keySet();
                dumpIterator(keySet.iterator());
                List list = Arrays.asList(args);
                dumpIterator(list.iterator());
        }
        private static void dumpIterator(Iterator itor)
        {
                //System.out.println(itor.getClass().getName());
                while (itor.hasNext())
                {
                        System.out.println(">> " + itor.next());
                }
                System.out.println("----");
        }
}

類Iterator的類型是unknown，這正是接口的絕妙之處，而不是問題。真正的事實是iterator方法返回的是一個真實的Iterator對象。然而，dumpIterator通常提供接口的完全實現。

如果你去掉dumpIterator中的println行的註釋，你將發現真實的iterator類名，對Properties是Hashtable.Enumerator而List是AbstractList.Itr。這個事實不必知道，也不會對你的程序有任何幫助。真正重要的是List和Properties的iterator方法所返回的任何對象，必須實現java.util.Iterator:hasNext, next和remove方法。沒有這三種方法中任何兩種，dumpIterator方法將永遠不能工作。

五、抽象類和接口的比較

從語法定義層面看abstract class和interface 

在語法層面，Java語言對於abstract class和interface給出了不同的定義方式，下面以定義一個名爲Demo的抽象類爲例來說明這種不同。 
使用abstract class的方式定義Demo抽象類的方式如下： 

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

使用interface的方式定義Demo抽象類的方式如下： 



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

在abstract class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static final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abstract class。 

從編程的角度來看，abstract class和interface都可以用來實現"design by contract"的思想。但是在具體的使用上面還是有一些區別的。 

首先，abstract class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abstract class的定義中，我們可以賦予方法的默認行爲。但是在interface的定義中，方法卻不能擁有默認行爲，爲了繞過這個限制，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爲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。因爲如果後來想修改類的界面（一般通過abstract class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，尤爲如此）。但是如果界面是通過abstract class來實現的，那麼可能就只需要修改定義在abstract class中的默認行爲就可以了。 

同樣，如果不能在抽象類中定義默認行爲，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"one rule，one place"原則，造成代碼重複，同樣不利於以後的維護。因此，在abstract class和interface間進行選擇時要非常的小心。

從設計理念層面看abstract class和interface 

上面主要從語法定義和編程的角度論述了abstract class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：abstract class和interface所反映出的設計理念，來分析一下二者的區別。作者認爲，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，abstarct class在Java語言中體現了一種繼承關係，要想使得繼承關係合理，必須父類和派生類在概念本質上應該是相同的。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。爲了使論述便於理解，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abstract class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abstract class方式定義Door： 

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

使用interface方式定義Door： 

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

其他具體的Door類型可以extends使用abstract class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abstract class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，主要是爲了展示abstract class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： 

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

或者 

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

那麼具有報警功能的AlarmDoor的定義方式如下： 

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

或者 

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

 

這種方法違反了面向對象設計中的一個核心原則ISP（Interface Segregation Priciple），在Door的定義中把Door概念本身固有的行爲方法和另外一個概念"報警器"的行爲方法混在了一起。這樣引起的一個問題是那些僅僅依賴於Door這個概念的模塊會因爲"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abstract class方式定義；兩個概念都使用interface方式定義；一個概念使用abstract class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，所以兩個概念都使用abstract class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，因爲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，abstract class在Java語言中表示一種繼承關係。所以對於Door這個概念，我們應該使用abstarct class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爲，所以報警概念可以通過interface方式定義。如下所示： 



abstract class Door    
{
    abstract void open();
    abstract void close()；
}
interface Alarm    
{
    void alarm();
}
class AlarmDoor extends Door implements Alarm    
{
    void open() { … }
    void close() { … }
    void alarm() { … }
}

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abstract class表示的是"is a"關係，interface表示的是"like a"關係，大家在選擇時可以作爲一個依據，當然這是建立在對問題領域的理解上的，比如：如果我們認爲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。