java裡抽象類別和介面的區別

下面的這篇文章講的十分透徹了，所以轉載之abstract class和interface是Java語言中對於抽象類別定義進行支援的兩種機制，正是由於這兩種機制的存在，才賦予了Java強大的物件導向能力。abstract class和interface之間在對於抽象類別定義的支援方面具有很大的相似性，甚至可以相互替換，因此很多開發人員在進行抽象類別定義時對於abstract class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，試圖給開發人員提供一個在二者之間進行選擇的依據。  

理解抽象類別  

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

在物件導向的概念中，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資訊來描繪一個具體的對象，這樣的類就是抽象類別。抽象類別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。正是因為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別是不能夠執行個體化的。  

在物件導向領域，抽象類別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別，而這一組任意個可能的具體實現則表現為所有可能的衍生類別。模組可以操作一個抽象體。由於模組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，也可擴充此模組的行為功能。熟悉OCP的讀者一定知道，為了能夠實現物件導向設計的一個最核心的原則OCP(Open-Closed Principle)，抽象類別是其中的關鍵所在。  

從文法定義層面看abstract class和interface  

在文法層面，Java語言對於abstract class和interface給出了不同的定義方式，下面以定義一個名為Demo的抽象類別為例來說明這種不同。  

使用abstract class的方式定義Demo抽象類別的方式如下：  

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

使用interface的方式定義Demo抽象類別的方式如下：  

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

在abstract class方式中，Demo可以有自己的資料成員，也可以有非abstarct的成員方法，而在interface方式的實現中，Demo只能夠有靜態不能被修改的資料成員（也就是必須是static final的，不過在interface中一般不定義資料成員），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對於多重繼承的支援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預設行為。但是在interface的定義中，方法卻不能擁有預設行為，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。  

在抽象類別中不能定義預設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。因為如果後來想修改類的介面（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（對於衍生類別很多的情況，尤為如此）。但是如果介面是通過abstract class來實現的，那麼可能就只需要修改定義在abstract class中的預設行為就可以了。  

同樣，如果不能在抽象類別中定義預設行為，就會導致同樣的方法實現出現在該抽象類別的每一個衍生類別中，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  

上面主要從文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，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，父類和衍生類別之間必須存在"is a"關係，即父類和衍生類別在概念本質上應該是相同的（參考文獻〔3〕中有關於"is a"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執行個體進行說明。  

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還要具有警示的功能。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();  
}  

   
那麼具有警示功能的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() { … }  
｝  

這種方法違反了物件導向設計中的一個核心原則ISP（Interface Segregation Priciple），在Door的定義中把Door概念本身固有的行為方法和另外一個概念"通報器"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這個概念的模組會因為"通報器"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別中。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語言不支援多重繼承，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還是通報器？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，因為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，同時它有具有警示的功能。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又具有警示功能，說明它又能夠完成警示概念中定義的行為，所以警示概念可以通過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在概念本質上是通報器，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語言中對於抽象類別定義進行支援的兩種機制，正是由於這兩種機制的存在，才賦予了Java強大的物件導向能力。abstract class和interface之間在對於抽象類別定義的支援方面具有很大的相似性，甚至可以相互替換，因此很多開發人員在進行抽象類別定義時對於abstract class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，試圖給開發人員提供一個在二者之間進行選擇的依據。  

理解抽象類別  

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

在物件導向的概念中，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資訊來描繪一個具體的對象，這樣的類就是抽象類別。抽象類別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。正是因為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別是不能夠執行個體化的。  

在物件導向領域，抽象類別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別，而這一組任意個可能的具體實現則表現為所有可能的衍生類別。模組可以操作一個抽象體。由於模組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，也可擴充此模組的行為功能。熟悉OCP的讀者一定知道，為了能夠實現物件導向設計的一個最核心的原則OCP(Open-Closed Principle)，抽象類別是其中的關鍵所在。  

從文法定義層面看abstract class和interface  

在文法層面，Java語言對於abstract class和interface給出了不同的定義方式，下面以定義一個名為Demo的抽象類別為例來說明這種不同。  

使用abstract class的方式定義Demo抽象類別的方式如下：  

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

使用interface的方式定義Demo抽象類別的方式如下：  

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

在abstract class方式中，Demo可以有自己的資料成員，也可以有非abstarct的成員方法，而在interface方式的實現中，Demo只能夠有靜態不能被修改的資料成員（也就是必須是static final的，不過在interface中一般不定義資料成員），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對於多重繼承的支援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預設行為。但是在interface的定義中，方法卻不能擁有預設行為，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。  

在抽象類別中不能定義預設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。因為如果後來想修改類的介面（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（對於衍生類別很多的情況，尤為如此）。但是如果介面是通過abstract class來實現的，那麼可能就只需要修改定義在abstract class中的預設行為就可以了。  

同樣，如果不能在抽象類別中定義預設行為，就會導致同樣的方法實現出現在該抽象類別的每一個衍生類別中，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  

上面主要從文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，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，父類和衍生類別之間必須存在"is a"關係，即父類和衍生類別在概念本質上應該是相同的（參考文獻〔3〕中有關於"is a"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執行個體進行說明。  

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還要具有警示的功能。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();  
}  

   
那麼具有警示功能的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() { … }  
｝  

這種方法違反了物件導向設計中的一個核心原則ISP（Interface Segregation Priciple），在Door的定義中把Door概念本身固有的行為方法和另外一個概念"通報器"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這個概念的模組會因為"通報器"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別中。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語言不支援多重繼承，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還是通報器？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，因為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，同時它有具有警示的功能。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又具有警示功能，說明它又能夠完成警示概念中定義的行為，所以警示概念可以通過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在概念本質上是通報器，同時又具有Door的功能，那麼上述的定義方式就要反過來了。