abstract class和interface是Java語言中對於抽像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強大的面向對像能力。abstract class和interface之間在對於抽像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像類定義時對於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,試圖給開發者提供一個在二者之間進行選擇的依據。 



理解抽像類 



abstract class和interface在Java語言中都是用來進行抽像類(本文中的抽像類並非從abstract class翻譯而來,它表示的是一個抽像體,而abstract class為Java語言中用於定義抽像類的一種方法,請讀者注意區分)定義的,那麼什麼是抽像類,使用抽像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,這樣的類就是抽像類。抽像類往往用來表徵我們在對問題領域進行分析、設計中得出的抽像概念,是對一系列看上去不同,但是本質上相同的具體概念的抽像。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,它就是一個抽像概念。正是因為抽像的概念在問題領域沒有對應的具體概念,所以用以表徵抽像概念的抽像類是不能夠實例化的。 



在面向對像領域,抽像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像描述,但是這組行為卻能夠有任意個可能的具體實現方式。這個抽像描述就是抽像類,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像體。由於模塊依賴於一個固定的抽像體,因此它可以是不允許修改的;同時,通過從這個抽像體派生,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像設計的一個最核心的原則OCP(Open-Closed Principle),抽像類是其中的關鍵所在。 





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,下面以定義一個名為Demo的抽像類為例來說明這種不同。 



使用abstract class的方式定義Demo抽像類的方式如下: 



abstract class Demo { 

 abstract void method1(); 

 abstract void method2(); 

 … 

} 



使用interface的方式定義Demo抽像類的方式如下: 



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。 



在抽像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。因為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,尤為如此)。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中的默認行為就可以了。 



同樣,如果不能在抽像類中定義默認行為,就會導致同樣的方法實現出現在該抽像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(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的抽像概念,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像概念的類型,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像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"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這個概念的模塊會因為"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像類中。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為,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。 







結論 



abstract class和interface是Java語言中的兩種定義抽像類的方式,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,因為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,希望讀者朋友能夠細細體會。

狼翔月影 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(15) 人氣()


留言列表 (15)

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  • Jack
  • thank you, it helps me alot
  • Louis
  • This is very helpful.
  • 訪客
  • 3Q
  • GUEST
  • 講解非常清楚 收取到相當寶貴的知識
    感謝分享
  • Alex
  • Thanks for your clarification.
  • Mine
  • It's very clearly for define abstract class & interface
    confuse for few weeks...
    Thanks!!
  • 阿和
  • 版大說明得非常清楚,謝謝你
  • leaf
  • 謝謝作者,此文章對我的觀念釐清有很大的助益
  • aa
  • really helpful!!thanks
  • ginnyhuang
  • 一開始看得有些雲裡霧裡,不過最後的實例很好地讓人理解了,謝謝 :)
  • Shane
  • very clear, thank you
  • Lee
  • That's really helpful, thanks a lot!
  • Joe
  • 不夠重點,寫太多
  • 訪客
  • 您写的很好,我很久的困惑被您解决了,非常感谢您
  • 訪客
  • 誰能幫我翻譯一下...

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