面向對象接口和類的區別

在OOD(面向對象設計)中,經常會用到抽象類或接口,【注:在C++中,沒有接口的概念,只有抽象類;而在Java中兩者都存在】。而在使用過程中,也許會有不少人認爲接口和抽象類差不多,然後就想當然地覺得可以相互完全替換。事實上,雖然他們有很多相似點,但也有很大差異。

  1.抽象類與接口的出現條件

  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件的開發,就會發現問題領域存在着圓、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。正是因爲抽象的概念在問題 領域沒有對應的具體概念,所以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爲的抽象描述,但是這組行爲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爲所有可能的派生類。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爲功能。熟悉OCP的讀 者一定知道,爲了能夠實現面向對象設計的一個最核心的原則OCP(Open-Closed Principle),抽象類是其中的關鍵所在。

  2.從語法定義層次上區分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_A {    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_I { 
    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(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。

   3.從設計理念層次上區分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。接下來將從abstract class和interface所反映出的設計理念,來分析一下二者的區別。從這個層面進行分析更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,父類和派生類之間必須存在"is a"關係,即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_A {    
    abstract void open();    
    abstract void close();  
}

  使用interface方式定義Door:

interface Door_I {    
    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_A {    
    abstract void open();    abstract void close();    abstract void alarm();
}

  或:

interface Door_I {    
    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_A extends Door_A {    
    void open() { … }    
    void close() { … }    
    void alarm() { … }   
}

  或:

class AlarmDoor_I implements Door_I {   
    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,而繼承關係在本質上是"is a"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:

複製代碼

複製代碼

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

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

複製代碼

複製代碼

  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。

  abstract class和interface是Java語言中的兩種定義抽象類的方式,它們之間有很大的相似性。但是對於它們的選擇卻又往往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,因爲它們表現了概念間的不同的關係(雖然都能夠實現需求的功能)。這其實也是語言的一種的慣用法。

 


 

最後,用簡短的幾條來總結abstract class 和interface的用法以及區別:

1、抽象類和接口都不能直接實例化。如果要實例化,抽象類變量必須指向實現所有抽象方法的子類對象,接口變量必須指向實現所有接口方法的類對象。

2、抽象類要被子類繼承,接口要被類實現。

3、接口只能做方法申明,抽象類中可以做方法申明,也可以做方法的默認實現。

4、接口裏定義的變量只能是公共的靜態的常量,抽象類中的變量是普通變量。

5、抽象類裏的抽象方法必須全部被子類所實現,如果子類不能全部實現父類抽象方法,那麼該子類仍然是抽象類。同樣,一個類實現接口的時候,如不能全部實現接口方法,那麼該類也只能爲抽象類。

6、抽象類裏可以沒有抽象方法

7、如果一個類裏有抽象方法,那麼這個類只能是抽象類

8、抽象方法要被實現,所以不能是靜態的,也不能是私有的。

9、接口可繼承接口,並可多繼承接口,但類只能單繼承【注:此處是指java語法中。在C++中可以多繼承】。


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