04.接口vs抽象类比较

目录介绍

  • 01.基础介绍
  • 02.抽象类和接口
  • 03.抽象类和接口能解决什么编程问题
  • 04.模拟抽象类和接口两个语法概念
  • 05.如何决定该用抽象类还是接口
  • 06.总结一下

01.基础介绍

  • 在面向对象编程中，抽象类和接口是两个经常被用到的语法概念，是面向对象四大特性，以及很多设计模式、设计思想、设计原则编程实现的基础。
  • 比如，我们可以使用接口来实现面向对象的抽象特性、多态特性和基于接口而非实现的设计原则，使用抽象类来实现面向对象的继承特性和模板设计模式等等。
  • 不过，并不是所有的面向对象编程语言都支持这两个语法概念，比如，C++ 这种编程语言只支持抽象类，不支持接口；而像 Python 这样的动态编程语言，既不支持抽象类，也不支持接口。
  • 尽管有些编程语言没有提供现成的语法来支持接口和抽象类，我们仍然可以通过一些手段来模拟实现这两个语法概念。
  • 这两个语法概念不仅在工作中经常会被用到，在面试中也经常被提及。比如，“接口和抽象类的区别是什么？什么时候用接口？什么时候用抽象类？抽象类和接口存在的意义是什么？能解决哪些编程问题？”等等。

02.抽象类和接口

  • 什么是抽象类和接口？区别在哪里？

2.1 什么是抽象类

  • 不同的编程语言对接口和抽象类的定义方式可能有些差别，但差别并不会很大。首先来看一下，在 Java 这种编程语言中，我们是如何定义抽象类的。
  • 下面这段代码是一个比较典型的抽象类的使用场景（模板设计模式）。Logger 是一个记录日志的抽象类，FileLogger 和 MessageQueueLogger 继承 Logger，分别实现两种不同的日志记录方式：记录日志到文件中和记录日志到消息队列中。FileLogger 和 MessageQueueLogger 两个子类复用了父类 Logger 中的 name、enabled、minPermittedLevel 属性和 log() 方法，但因为这两个子类写日志的方式不同，它们又各自重写了父类中的 doLog() 方法。
    // 抽象类
public abstract class Logger {
  private String name;
  private boolean enabled;
  private Level minPermittedLevel;

  public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {
    this.name = name;
    this.enabled = enabled;
    this.minPermittedLevel = minPermittedLevel;
  }
  
  public void log(Level level, String message) {
    boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
    if (!loggable) return;
    doLog(level, message);
  }
  
  protected abstract void doLog(Level level, String message);
}
// 抽象类的子类：输出日志到文件
public class FileLogger extends Logger {
  private Writer fileWriter;

  public FileLogger(String name, boolean enabled,
    Level minPermittedLevel, String filepath) {
    super(name, enabled, minPermittedLevel);
    this.writer = new FileWriter(filepath); 
  }
  
  @Override
  public void doLog(Level level, String mesage) {
    // 格式化level和message,输出到日志文件
    fileWriter.write(...);
  }
}
// 抽象类的子类: 输出日志到消息中间件(比如kafka)
public class MessageQueueLogger extends Logger {
  private MessageQueueClient msgQueueClient;
  
  public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,
    Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {
    super(name, enabled, minPermittedLevel);
    this.msgQueueClient = msgQueueClient;
  }
  
  @Override
  protected void doLog(Level level, String mesage) {
    // 格式化level和message,输出到消息中间件
    msgQueueClient.send(...);
  }
}
  • 通过上面的这个例子来看一下，抽象类具有哪些特性。
    • 抽象类不允许被实例化，只能被继承。也就是说，你不能 new 一个抽象类的对象出来（Logger logger = new Logger(…); 会报编译错误）。
    • 抽象类可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现（比如 Logger 中的 log() 方法），也可以不包含代码实现（比如 Logger 中的 doLog() 方法）。不包含代码实现的方法叫作抽象方法。
    • 子类继承抽象类，必须实现抽象类中的所有抽象方法。对应到例子代码中就是，所有继承 Logger 抽象类的子类，都必须重写 doLog() 方法。

2.3 什么是接口

  • 再来看一下，在 Java 这种编程语言中，我们如何定义接口。
    // 接口
public interface Filter {
  void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException;
}
// 接口实现类：鉴权过滤器
public class AuthencationFilter implements Filter {
  @Override
  public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
    //...鉴权逻辑..
  }
}
// 接口实现类：限流过滤器
public class RateLimitFilter implements Filter {
  @Override
  public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
    //...限流逻辑...
  }
}
// 过滤器使用demo
public class Application {
  // filters.add(new AuthencationFilter());
  // filters.add(new RateLimitFilter());
  private List<Filter> filters = new ArrayList<>();
  
  public void handleRpcRequest(RpcRequest req) {
    try {
      for (Filter filter : fitlers) {
        filter.doFilter(req);
      }
    } catch(RpcException e) {
      // ...处理过滤结果...
    }
    // ...省略其他处理逻辑...
  }
}
  • 上面这段代码是一个比较典型的接口的使用场景。通过 Java 中的 interface 关键字定义了一个 Filter 接口。AuthencationFilter 和 RateLimitFilter 是接口的两个实现类，分别实现了对 RPC 请求鉴权和限流的过滤功能。
  • 代码非常简洁。结合代码再来看一下，接口都有哪些特性。
    • 接口不能包含属性（也就是成员变量）。
    • 接口只能声明方法，方法不能包含代码实现。
    • 类实现接口的时候，必须实现接口中声明的所有方法。

2.4 抽象类和接口区别

    • 从语法特性上对比，这两者有比较大的区别，比如抽象类中可以定义属性、方法的实现，而接口中不能定义属性，方法也不能包含代码实现等等。除了语法特性，从设计的角度，两者也有比较大的区别。
  • 抽象类实际上就是类，只不过是一种特殊的类，这种类不能被实例化为对象，只能被子类继承。我们知道，继承关系是一种 is-a 的关系，那抽象类既然属于类，也表示一种 is-a 的关系。相对于抽象类的 is-a 关系来说，接口表示一种 has-a 关系，表示具有某些功能。对于接口，有一个更加形象的叫法，那就是协议（contract）。

03.抽象类和接口能解决什么编程问题

  • 抽象类也是为代码复用而生的。多个子类可以继承抽象类中定义的属性和方法，避免在子类中，重复编写相同的代码。
  • 不过，既然继承本身就能达到代码复用的目的，而继承也并不要求父类一定是抽象类，那我们不使用抽象类，照样也可以实现继承和复用。从这个角度上来讲，我们貌似并不需要抽象类这种语法呀。那抽象类除了解决代码复用的问题，还有什么其他存在的意义吗？
  • 还是拿之前那个打印日志的例子。我们先对上面的代码做下改造。在改造之后的代码中，Logger 不再是抽象类，只是一个普通的父类，删除了 Logger 中 log()、doLog() 方法，新增了 isLoggable() 方法。FileLogger 和 MessageQueueLogger 还是继承 Logger 父类，以达到代码复用的目的。具体的代码如下：
    // 父类：非抽象类，就是普通的类. 删除了log(),doLog()，新增了isLoggable().
public class Logger {
  private String name;
  private boolean enabled;
  private Level minPermittedLevel;

  public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {
    //...构造函数不变，代码省略...
  }

  protected boolean isLoggable() {
    boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
    return loggable;
  }
}
// 子类：输出日志到文件
public class FileLogger extends Logger {
  private Writer fileWriter;

  public FileLogger(String name, boolean enabled,
    Level minPermittedLevel, String filepath) {
    //...构造函数不变，代码省略...
  }
  
  public void log(Level level, String mesage) {
    if (!isLoggable()) return;
    // 格式化level和message,输出到日志文件
    fileWriter.write(...);
  }
}
// 子类: 输出日志到消息中间件(比如kafka)
public class MessageQueueLogger extends Logger {
  private MessageQueueClient msgQueueClient;
  
  public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,
    Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {
    //...构造函数不变，代码省略...
  }
  
  public void log(Level level, String mesage) {
    if (!isLoggable()) return;
    // 格式化level和message,输出到消息中间件
    msgQueueClient.send();
  }
}
  • 这个设计思路虽然达到了代码复用的目的，但是无法使用多态特性了。像下面这样编写代码，就会出现编译错误，因为 Logger 中并没有定义 log() 方法。
    Logger logger = new FileLogger("access-log", true, Level.WARN, "/users/muchen/access.log");
logger.log(Level.ERROR, "This is a test log message.");
  • 你可能会说，这个问题解决起来很简单啊。在 Logger 父类中，定义一个空的 log() 方法，让子类重写父类的 log() 方法，实现自己的记录日志的逻辑，不就可以了吗？
    public class Logger {
  // ...省略部分代码...
  public void log(Level level, String mesage) { // do nothing... }
}
public class FileLogger extends Logger {
  // ...省略部分代码...
  @Override
  public void log(Level level, String mesage) {
    if (!isLoggable()) return;
    // 格式化level和message,输出到日志文件
    fileWriter.write(...);
  }
}
public class MessageQueueLogger extends Logger {
  // ...省略部分代码...
  @Override
  public void log(Level level, String mesage) {
    if (!isLoggable()) return;
    // 格式化level和message,输出到消息中间件
    msgQueueClient.send(...);
  }
}
  • 这个设计思路能用，但是，它显然没有之前通过抽象类的实现思路优雅。为什么这么说呢？主要有以下几点原因。
    • 在 Logger 中定义一个空的方法，会影响代码的可读性。如果我们不熟悉 Logger 背后的设计思想，代码注释又不怎么给力，我们在阅读 Logger 代码的时候，就可能对为什么定义一个空的 log() 方法而感到疑惑，需要查看 Logger、FileLogger、MessageQueueLogger 之间的继承关系，才能弄明白其设计意图。
    • 当创建一个新的子类继承 Logger 父类的时候，我们有可能会忘记重新实现 log() 方法。之前基于抽象类的设计思路，编译器会强制要求子类重写 log() 方法，否则会报编译错误。你可能会说，我既然要定义一个新的 Logger 子类，怎么会忘记重新实现 log() 方法呢？我们举的例子比较简单，Logger 中的方法不多，代码行数也很少。但是，如果 Logger 有几百行，有 n 多方法，除非你对 Logger 的设计非常熟悉，否则忘记重新实现 log() 方法，也不是不可能的。
    • Logger 可以被实例化，换句话说，我们可以 new 一个 Logger 出来，并且调用空的 log() 方法。这也增加了类被误用的风险。当然，这个问题可以通过设置私有的构造函数的方式来解决。不过，显然没有通过抽象类来的优雅。
  • 为什么需要接口？它能够解决什么编程问题？
    • 抽象类更多的是为了代码复用，而接口就更侧重于解耦。接口是对行为的一种抽象，相当于一组协议或者契约，你可以联想类比一下 API 接口。调用者只需要关注抽象的接口，不需要了解具体的实现，具体的实现代码对调用者透明。接口实现了约定和实现相分离，可以降低代码间的耦合性，提高代码的可扩展性。
    • 实际上，接口是一个比抽象类应用更加广泛、更加重要的知识点。比如，经常提到的“基于接口而非实现编程”，就是一条几乎天天会用到，并且能极大地提高代码的灵活性、扩展性的设计思想。

04.模拟抽象类和接口两个语法概念

  • 在前面举的例子中，使用 Java 的接口语法实现了一个 Filter 过滤器。不过，如果你熟悉的是 C++ 这种编程语言，你可能会说，C++ 只有抽象类，并没有接口，那从代码实现的角度上来说，是不是就无法实现 Filter 的设计思路了呢？
  • 先来回忆一下接口的定义：接口中没有成员变量，只有方法声明，没有方法实现，实现接口的类必须实现接口中的所有方法。只要满足这样几点，从设计的角度上来说，我们就可以把它叫作接口。实际上，要满足接口的这些语法特性并不难。在下面这段 C++ 代码中，就用抽象类模拟了一个接口（下面这段代码实际上是策略模式中的一段代码）。
    class Strategy { // 用抽象类模拟接口
  public:
    ~Strategy();
    virtual void algorithm()=0;
  protected:
    Strategy();
};
  • 抽象类 Strategy 没有定义任何属性，并且所有的方法都声明为 virtual 类型（等同于 Java 中的 abstract 关键字），这样，所有的方法都不能有代码实现，并且所有继承这个抽象类的子类，都要实现这些方法。从语法特性上来看，这个抽象类就相当于一个接口
  • 在 Python、Ruby 这些动态语言中，不仅没有接口的概念，也没有类似 abstract、virtual 这样的关键字来定义抽象类，那该如何实现上面的讲到的 Filter、Logger 的设计思路呢？实际上，除了用抽象类来模拟接口之外，还可以用普通类来模拟接口。具体的 Java 代码实现如下所示。
    public class MockInteface {
  protected MockInteface() {}
  public void funcA() {
    throw new MethodUnSupportedException();
  }
}
  • 类中的方法必须包含实现，这个不符合接口的定义。但是，我们可以让类中的方法抛出 MethodUnSupportedException 异常，来模拟不包含实现的接口，并且能强迫子类在继承这个父类的时候，都去主动实现父类的方法，否则就会在运行时抛出异常。那又如何避免这个类被实例化呢？实际上很简单，我们只需要将这个类的构造函数声明为 protected 访问权限就可以了。

05.如何决定该用抽象类还是接口

  • 实际上，判断的标准很简单。如果我们要表示一种 is-a 的关系，并且是为了解决代码复用的问题，我们就用抽象类；如果我们要表示一种 has-a 关系，并且是为了解决抽象而非代码复用的问题，那我们就可以使用接口。
  • 从类的继承层次上来看，抽象类是一种自下而上的设计思路，先有子类的代码重复，然后再抽象成上层的父类（也就是抽象类）。而接口正好相反，它是一种自上而下的设计思路。我们在编程的时候，一般都是先设计接口，再去考虑具体的实现。

06.总结一下

  • 1.抽象类和接口的语法特性
    • 抽象类不允许被实例化，只能被继承。它可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现，也可以不包含代码实现。不包含代码实现的方法叫作抽象方法。子类继承抽象类，必须实现抽象类中的所有抽象方法。接口不能包含属性，只能声明方法，方法不能包含代码实现。类实现接口的时候，必须实现接口中声明的所有方法。
  • 2.抽象类和接口存在的意义
    • 抽象类是对成员变量和方法的抽象，是一种 is-a 关系，是为了解决代码复用问题。接口仅仅是对方法的抽象，是一种 has-a 关系，表示具有某一组行为特性，是为了解决解耦问题，隔离接口和具体的实现，提高代码的扩展性。
  • 3.抽象类和接口的应用场景区别
    • 什么时候该用抽象类？什么时候该用接口？实际上，判断的标准很简单。如果要表示一种 is-a 的关系，并且是为了解决代码复用问题，我们就用抽象类；如果要表示一种 has-a 关系，并且是为了解决抽象而非代码复用问题，那我们就用接口。
贡献者: yangchong211