抽象类和接口设计_如何设计类和接口

抽象类和接口设计

本文是我们名为“ 高级Java ”的学院课程的一部分。

本课程旨在帮助您最有效地使用Java。它讨论了高级主题，包括对象创建，并发，序列化，反射等。它将指导您完成Java掌握的旅程！在这里查看！

1.简介

不管您使用哪种编程语言（这里Java也不例外），遵循良好的设计原则是编写干净，可理解，可测试的代码并提供长期有效且易于维护的解决方案的关键因素。在本教程的这一部分中，我们将讨论Java语言提供的基本构建块，并介绍一些设计原则，以帮助您做出更好的设计决策。

更确切地说，我们将讨论与默认的方法 接口和接口（Java 8的新功能），抽象和final 类，不可变类，继承，组成和重温了一下可见性 （或可访问）的规则，我们有部分短暂触及本教程的第1部分， 如何创建和销毁对象 。

2.接口

在面向对象的编程中，接口的概念构成了契约驱动（或基于契约）开发的基础。简而言之，接口定义方法的集合（契约），并且声称支持该特定接口的每个类都必须提供这些方法的实现：一个非常简单但功能强大的想法。

许多编程语言确实具有一种或另一种形式的接口，但是Java特别为此提供了语言支持。让我们看一下Java中的简单接口定义。

package com.javacodegeeks.advanced.design;public interface SimpleInterface {void performAction();
}

在上面的代码片段中，我们命名为SimpleInterface的接口SimpleInterface声明了一个名为performAction方法。接口相对于类的主要区别在于接口概述了联系方式（声明方法），但未提供其实现。

但是，Java中的接口可能比这更复杂：它们可以包括嵌套的接口，类，枚举，注释（该枚举和注释将在本教程的第5部分中详细介绍如何以及何时使用Enums和Annotations ）和常量。。例如：

package com.javacodegeeks.advanced.design;public interface InterfaceWithDefinitions {String CONSTANT = "CONSTANT";enum InnerEnum {E1, E2;}class InnerClass {}interface InnerInterface {void performInnerAction();}void performAction();
}

在这个更复杂的示例中，存在一些关于嵌套构造和方法声明的接口隐式施加的约束，而Java编译器则强制执行这些约束。首先，即使没有明确说明，该接口中的每个声明都是公共的 （并且只能是public ，有关可见性和可访问性规则的更多详细信息，请参阅Visibility部分）。因此，以下方法声明是等效的：

public void performAction();
void performAction();

值得一提的是，接口中的每个方法都隐式声明为abstract ，甚至这些方法声明也是等效的：

public abstract void performAction();
public void performAction();
void performAction();

至于常量字段声明，除了是public ，它们是隐式static和final因此以下声明也等效：

String CONSTANT = "CONSTANT";
public static final String CONSTANT = "CONSTANT";

最后，除了public之外，嵌套类，接口或枚举还隐式声明为static 。例如，这些类声明也等效：

class InnerClass {
}static class InnerClass {
}

您将选择哪种样式是个人喜好，但是了解这些简单的界面质量可以使您避免不必要的键入。

3.标记接口

标记接口是一种特殊的接口，没有定义方法或其他嵌套结构。在本教程的第2部分中 ，我们已经看到了标记接口的一个示例，该接口使用所有对象共有的方法，即Cloneable接口。这是在Java库中定义的方式：

public interface Cloneable {
}

标记接口本身并不是契约，而是某种有用的技术，用于“附加”或“绑定”班级的某些特定特征。例如，对于Cloneable ，该类被标记为可用于克隆，但是应该或可以做的方式不是该接口的一部分。标记器接口的另一个非常著名且广泛使用的示例是Serializable ：

public interface Serializable {
}

此接口将类标记为可用于序列化和反序列化，并且再次，它未指定可以或应该完成的方式。

标记器接口虽然不能满足作为合同的接口的主要目的，但它们在面向对象的设计中占有一席之地。

4.功能接口，默认方法和静态方法

随着Java 8的发布，接口获得了非常有趣的新功能：静态方法，默认方法和lambda（功能性接口）的自动转换。

在接口一节中，我们强调了以下事实：Java中的接口只能声明方法，而不能提供其实现。使用默认方法不再是事实：接口可以使用default关键字标记方法并为其提供实现。例如：

package com.javacodegeeks.advanced.design;public interface InterfaceWithDefaultMethods {void performAction();default void performDefaulAction() {// Implementation here}
}

作为实例级别，默认方法可以被每个接口实现者覆盖，但是从现在开始，接口可能还包括static方法，例如：

package com.javacodegeeks.advanced.design;public interface InterfaceWithDefaultMethods {static void createAction() {// Implementation here}
}

可能有人说在接口中提供实现会破坏基于契约的开发的全部目的，但是将这些功能引入Java语言有很多原因，无论它们多么有用或令人困惑，它们都可以为您提供帮助用。

功能接口是另外一个故事，并且事实证明它们是该语言的非常有用的附加组件。基本上，功能接口是仅声明了一个抽象方法的接口。 Java标准库中的Runnable接口就是这个概念的一个很好的例子：

@FunctionalInterface
public interface Runnable {void run();
}

Java编译器以不同的方式对待功能接口，并且能够将lambda函数转换为有意义的功能接口实现。让我们看一下以下函数定义：

public void runMe( final Runnable r ) {r.run();
}

要在Java 7及以下版本中调用此函数，应提供Runnable接口的实现（例如，使用Anonymous类），但是在Java 8中，只需使用lambda语法传递run()方法实现即可：

runMe( () -> System.out.println( "Run!" ) );

此外， @FunctionalInterface批注（批注将在本教程的第5部分“ 如何以及何时使用Enums和Annotations”中详细介绍 ）提示编译器验证接口仅包含一种抽象方法，以便对接口中引入的任何更改未来将不会打破这一假设。

5.抽象类

Java语言支持的另一个有趣的概念是抽象类的概念。抽象类在某种程度上类似于Java 7中的接口，并且与Java 8中具有默认方法的接口非常接近。与常规类相比，抽象类无法实例化，但是可以被子类化（请参阅继承一节以获取更多详细信息）。更重要的是，抽象类可能包含抽象方法：没有实现的特殊方法，非常类似于接口。例如：

package com.javacodegeeks.advanced.design;public abstract class SimpleAbstractClass {public void performAction() {// Implementation here}public abstract void performAnotherAction();
}

在此示例中，类SimpleAbstractClass被声明为abstract并且还具有一个abstract方法声明。当实现细节的大部分甚至部分可以被许多子类共享时，抽象类非常有用。但是，它们仍然敞开了大门，并允许通过抽象方法自定义每个子类的固有行为。

值得一提的是，与只能包含public声明的接口相反，抽象类可以使用可访问性规则的全部功能来控制抽象方法的可见性（有关更多详细信息，请参见“ 可见性和继承 ”部分）。

6.不可变的类

不可变性在当今的软件开发中变得越来越重要。多核系统的兴起引起了很多与数据共享和并发相关的担忧（在第9部分 ， 并发最佳实践中 ，我们将详细讨论那些主题）。但是，肯定会出现一件事：可变状态的更少（甚至不存在）导致更好的可伸缩性和关于系统的更简单的推理。

不幸的是，Java语言没有为类不变性提供强大的支持。但是，结合使用多种技术，可以设计不可变的类。首先，该类的所有字段都应该是final 。这是一个好的开始，但不能单独保证不变性。

package com.javacodegeeks.advanced.design;import java.util.Collection;public class ImmutableClass {private final long id;private final String[] arrayOfStrings;private final Collection< String > collectionOfString;
}

其次，遵循正确的初始化：如果字段是对集合或数组的引用，请不要直接从构造函数参数中分配这些字段，而应创建副本。这将确保集合或数组的状态不会从外部更改。

public ImmutableClass( final long id, final String[] arrayOfStrings,final Collection< String > collectionOfString) {this.id = id;this.arrayOfStrings = Arrays.copyOf( arrayOfStrings, arrayOfStrings.length );this.collectionOfString = new ArrayList<>( collectionOfString );
}

最后，提供适当的访问器（获取器）。对于集合，不可变视图应使用Collections.unmodifiableXxx包装器公开。

public Collection<String> getCollectionOfString() {return Collections.unmodifiableCollection( collectionOfString );
}

对于数组，确保真正的不变性的唯一方法是提供副本，而不是返回对数组的引用。从实际的角度来看，这可能是不可接受的，因为它在很大程度上取决于数组的大小，并可能给垃圾收集器带来很大压力。

public String[] getArrayOfStrings() {return Arrays.copyOf( arrayOfStrings, arrayOfStrings.length );
}

即使是这个很小的例子，也提供了一个很好的主意，即不变性还不是Java中的一等公民。如果一个不可变的类具有引用另一个类实例的字段，那么事情就会变得非常复杂。这些类也应该是不可变的，但是没有简单的方法可以强制执行。

有很多很棒的Java源代码分析器，例如FindBugs和PMD ，它们可以通过检查代码并指出常见的Java编程缺陷来提供很多帮助。这些工具是任何Java开发人员的好朋友。

7.匿名类

在Java 8之前的时代，匿名类是提供就地类定义和立即实例化的唯一方法。匿名类的目的是减少样板，并提供简洁明了的方式将类表示为表达式。让我们看一下在Java中产生新线程的典型老式方法：

package com.javacodegeeks.advanced.design;public class AnonymousClass {public static void main( String[] args ) {new Thread(// Example of creating anonymous class which implements// Runnable interfacenew Runnable() {@Overridepublic void run() {// Implementation here}}).start();}
}

在此示例中， Runnable接口的实现作为匿名类就地提供。尽管匿名类存在一些限制，但是使用它们的基本缺点是Java强制将其作为语言使用的非常冗长的语法构造。即使是最简单的不执行任何操作的匿名类，每次都至少需要编写5行代码。

new Runnable() {@Overridepublic void run() {}}

幸运的是，有了Java 8，lambda和功能接口，所有这些样板都将消失，最终使Java代码看起来非常简洁。

package com.javacodegeeks.advanced.design;public class AnonymousClass {public static void main( String[] args ) {new Thread( () -> { /* Implementation here */ } ).start();}
}

8.可见度

在教程的第1部分“ 如何设计类和接口”中 ，我们已经讨论了Java可见性和可访问性规则。在这一部分中，我们将在子类化的背景下再次回到这个主题。

修饰符	包	子类	其他所有人
上市	无障碍	无障碍	无障碍
受保护的	无障碍	无障碍	无法访问
<无修饰符>	无障碍	无法访问	无法访问
私人的	无法访问	无法访问	无法访问

表格1

不同的可见性级别允许或不允许这些类查看其他类或接口（例如，如果它们位于不同的程序包中或彼此嵌套）或子类查看和访问其父级的方法，构造函数和字段。

在下一节Inheritance中，我们将看到它的作用。

9.继承

继承是面向对象编程的关键概念之一，它是建立类关系的基础。与可见性和可访问性规则结合在一起，继承允许设计可扩展和可维护的类层次结构。

从概念上讲，Java中的继承是通过使用子类和extends关键字以及父类来实现的。子类继承其父类的所有公共成员和受保护成员。此外，如果子类都驻留在同一包中，则它们将继承父类的包私有成员。话虽如此，无论您要设计什么，保持类公开或对其子类公开的最小方法集都是非常重要的。例如，让我们看一下Parent类及其子类Child以演示不同的可见性级别及其效果：

package com.javacodegeeks.advanced.design;public class Parent {// Everyone can see itpublic static final String CONSTANT = "Constant";// No one can access itprivate String privateField;// Only subclasses can access itprotected String protectedField;// No one can see itprivate class PrivateClass {}// Only visible to subclassesprotected interface ProtectedInterface {}// Everyone can call itpublic void publicAction() {}// Only subclass can call itprotected void protectedAction() {}// No one can call itprivate void privateAction() {}// Only subclasses in the same package can call itvoid packageAction() {}
}

package com.javacodegeeks.advanced.design;// Resides in the same package as parent class
public class Child extends Parent implements Parent.ProtectedInterface {@Overrideprotected void protectedAction() {// Calls parent's method implementationsuper.protectedAction();}@Overridevoid packageAction() {// Do nothing, no call to parent's method implementation}public void childAction() {this.protectedField = "value";}
}

继承本身就是一个非常大的主题，其中包含许多特定于Java的细微细节。但是，有一些易于遵循的规则可以对保持类层次结构简洁有很大帮助。在Java中，每个子类都可以覆盖其父级的任何继承的方法，除非将其声明为final （请参阅Final类和方法部分）。

但是，没有特殊的语法或关键字将方法标记为已重写，这可能会引起很多混乱。这就是引入@Override批注的原因：每当您打算覆盖继承的方法时，请始终使用@Override批注进行指示。

Java开发人员在设计中经常面临的另一个难题是构建类层次结构（使用具体的或抽象的类）与接口实现。强烈建议在可能的情况下，偏向类或抽象类的接口。接口轻巧得多，易于测试（使用模拟）和维护，并且使实现更改的副作用最小化。许多高级编程技术（例如在标准Java库中创建类代理）都严重依赖于接口。

10.多重继承

与C ++和其他一些语言相反，Java不支持多重继承：在Java中，每个类都只有一个直接父级（如我们在本教程第2部分中已经知道的， Object类位于层次结构的顶部， 使用通用方法）到所有对象 ）。但是，该类可以实现多个接口，因此，堆叠接口是在Java中实现（或模仿）多重继承的唯一方法。

package com.javacodegeeks.advanced.design;public class MultipleInterfaces implements Runnable, AutoCloseable {@Overridepublic void run() {// Some implementation here}@Overridepublic void close() throws Exception {// Some implementation here}
}

多个接口的实现实际上是非常强大的，但是重用实现的需求通常会导致深层次的类层次结构，从而克服Java中缺少多继承支持的一种方式。

public class A implements Runnable {@Overridepublic void run() {// Some implementation here}
}

// Class B wants to inherit the implementation of run() method from class A.
public class B extends A implements AutoCloseable {@Overridepublic void close() throws Exception {// Some implementation here}
}

// Class C wants to inherit the implementation of run() method from class A
// and the implementation of close() method from class B.
public class C extends B implements Readable {@Overridepublic int read(java.nio.CharBuffer cb) throws IOException {// Some implementation here}
}

依此类推...最近的Java 8版本通过引入默认方法在某种程度上解决了该问题。由于使用默认方法，因此接口实际上已经开始不仅提供合同，而且还提供实现。因此，实现这些接口的类也将自动继承这些实现的方法。例如：

package com.javacodegeeks.advanced.design;public interface DefaultMethods extends Runnable, AutoCloseable {@Overridedefault void run() {// Some implementation here}@Overridedefault void close() throws Exception {// Some implementation here}
}// Class C inherits the implementation of run() and close() methods from the
// DefaultMethods interface.
public class C implements DefaultMethods, Readable {@Overridepublic int read(java.nio.CharBuffer cb) throws IOException {// Some implementation here}
}

请注意，多重继承是一种强大的功能，但同时又是一种危险的使用工具。通常将众所周知的“死亡钻石”问题称为多重继承实现的基本缺陷，因此，敦促开发人员非常仔细地设计类层次结构。不幸的是，具有默认方法的Java 8接口也正成为这些漏洞的受害者。

interface A {default void performAction() {}
}interface B extends A {@Overridedefault void performAction() {}
}interface C extends A {@Overridedefault void performAction() {}
}

例如，以下代码片段无法编译：

// E is not compilable unless it overrides performAction() as well
interface E extends B, C {
}

在这一点上，可以说Java作为一种语言总是试图逃避面向对象编程的极端情况，但是随着语言的发展，其中一些情况开始出现。

11.继承与组成

幸运的是，继承不是设计类的唯一方法。许多开发人员认为比继承更好的另一种选择是组合。这个想法很简单：这些类应该由其他类组成，而不是构建类层次结构。

让我们看一下这个例子：

public class Vehicle {private Engine engine;private Wheels[] wheels;// ...
}

Vehicle类由engine和wheels （以及为简单起见而遗留的许多其他部件）组成。但是，可以说Vehicle类也是一种引擎，因此可以使用继承进行设计。

public class Vehicle extends Engine {private Wheels[] wheels;// ...
}

哪个设计决定是正确的？一般准则称为IS-A和HAS-A原则。 IS-A是继承关系：子类还满足父类规范以及父类的此类IS-A变体。因此， HAS-A是组成关系：该类拥有（或HAS-A ）属于它的对象。在大多数情况下， HAS-A原理比IS-A更好，其原因有两个：

设计可以更改的方式更加灵活
该模型更加稳定，因为更改不会通过类层次结构传播
与继承紧密关联父级及其子类的继承相比，该类及其组合之间的关联松散
关于类的推理更加简单，因为所有相关性都包含在其中

但是，继承有其自己的位置，以不同的方式解决实际的设计问题，因此不应忽略。在设计面向对象的模型时，请牢记这两种选择。

12.封装

面向对象编程中的封装概念全是向外界隐藏实现细节（如状态，内部方法等）。封装的好处是可维护性和易于更改。内部细节类暴露的次数越少，开发人员对更改其内部实现的控制就越多，而不必担心破坏现有代码（如果您正在开发许多人使用的库或框架，这将是一个真正的问题）。

Java中的封装是使用可见性和可访问性规则实现的。在Java中，最好不要使用getter和setter方法（如果未将字段声明为final ）直接暴露字段，这是Java的最佳实践。例如：

package com.javacodegeeks.advanced.design;public class Encapsulation {private final String email;private String address;public Encapsulation( final String email ) {this.email = email;}public String getAddress() {return address;}public void setAddress(String address) {this.address = address;}public String getEmail() {return email;}
}

此示例类似于Java语言中所谓的JavaBeans ：通过遵循一组约定编写的常规Java类，其中一种仅允许使用getter和setter方法访问字段。

正如我们在“ 继承”部分中已强调的那样，请始终遵循封装原则，尝试使类公共协定保持最小。无论什么都不应该是public ，而应该是private （或protected / package private ，取决于您要解决的问题）。从长远来看，它将带来回报，使您可以自由开发设计而无需引入重大更改（或至少将更改减至最少）。

13.期末课程和方法

在Java中，有一种方法可以防止该类被其他任何类继承：应该将其声明为final 。

package com.javacodegeeks.advanced.design;public final class FinalClass {
}

方法声明中使用相同的final关键字可防止所讨论的方法在子类中被覆盖。

package com.javacodegeeks.advanced.design;public class FinalMethod {public final void performAction() {}
}

没有通用的规则来决定类或方法是否应该是final 。最终的类和方法限制了可扩展性，并且很难预先考虑该类是否应该被子类化，或者方法是否应该被覆盖。这对于库开发人员尤其重要，因为这样的设计决策可能会大大限制库的适用性。

Java标准库提供了一些final类的示例，其中最著名的是String类。在早期阶段，已决定主动阻止任何开发人员尝试自己的，“更好”的字符串实现。

14.接下来是什么

在本教程的这一部分中，我们研究了Java中的面向对象设计概念。我们还简要介绍了基于合同的开发，介绍了一些功能概念，并了解了该语言如何随着时间演变。在本教程的下一部分中，我们将讨论泛型以及泛型如何改变我们处理类型安全编程的方式。

15.下载源代码

这是关于如何设计类和接口的课程。

您可以在此处下载源代码： advanced-java-part-3

翻译自: https://www.javacodegeeks.com/2015/09/how-to-design-classes-and-interfaces.html

抽象类和接口设计