设计模式学习笔记 - 面向对象 - 5.接口和抽象类的区别

简述

在面向对象编程中，抽象类和接口是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、设计原则实现的基础。它们之间的区别是什么？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？等等

1.什么是抽象类和接口？它们有什么区别？

我们来看下 Java 语言中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（模板方法模式）。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：记录日志到文件和记录日志到消息队列。FileLogger 和 MessageQueueLogger 两个子类复用了父类 Logger 中的 name、enabled、minPermittedLevel 属性和 log() 方法，但是因为这两个子类的写日志方式不同，它们又各种重写了父类中的 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.fileWriter = new FileWriter(filepath);}@Overrideprotected void doLog(Level level, String message) {// 格式化level和message，输出日志文件fileWriter.write(...);}
}// 抽象的子类：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;}@Overrideprotected void doLog(Level level, String message) {// 格式化level和message，输出到消息中间件msgQueueClient.send(...);}
}

通过上面这个例子，我们来总结下抽象类的特性：

抽象类不允许被实例化，只能被继承。
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()），也可以不包含代码实现（比如 Logger 中的 doLog()）。不包含代码实现的方法叫做抽象方法。
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，所有继承 Logger 的子类，都必须重写 doLog()。

再来看下，在 Java 语言中，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 AuthFilter implements Filter {@Overridepublic 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 {@Overridepublic void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {// 限流逻辑...}
}// 过滤器使用Demo
public class Application {private List<Filter> filters = new ArrayList<>();// filters.add(new AuthFilter());// filters.add(new RateLimitFilter());public void handleRpcRequest(RpcRequest req) {try {for (Filter filter : filters) {filter.doFilter(req);}} catch (RpcException e) {// 处理过滤异常...}// 省略其他逻辑...}
}

上面这段代码是一个比较典型的接口的使用场景。我们通过 Java 语言中的 interface 关键字定义了一个 Filter 接口。AuthFilter 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。

总结下接口的三个特性：

接口不能包含属性
接口只能申明方法，方法不能包含代码实现。
类实现接口的时候，必须实现接口类中声明的所有方法。

从语法特性上对比，两种有比较大的差别，比如抽象类中可以定义属性、实现方法，而接口中不能定义属性，方法也不能实现。除了语法特性，从设计角度，两种也是由较大的区别的。

抽象类实际上是类，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。我们知道继承是一种 is-a 的的关系，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 来说，接口表示一种 has-a 关系，表示具有某些功能。对于接口，有一种更加形象的叫法，那就是协议（contract）。

2.抽象类和接口能解决什么问题？

首先，看一下为什么需要抽象类？它能够解决什么编程问题？

刚刚讲过抽象类不能实例化，只能被继承。而继承能解决代付复用问题，所以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熟悉和方法，避免在子类在编写重复的代码。

既然，继承本身能到到代码复用的目的，那不用抽象类也能实现继承和复用。那抽象类除了解决代码复用的问题，还有什么其他的意义吗？

还是之前日志的例子，来讲解。Logger 不再是抽象类，而是一个普通的父类，删除了 log()、doLog() 方法，新增了 isLoggable() 方法。FileLogger 和 MessageQueueLogger 还是继承 Logger ，以达到代码复用的目的。

// 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...}public boolean isLoggable(Level level) {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 message) {if (!isLoggable(level)) 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 message) {if (!isLoggable(level)) return;// 格式化level和message,输出到消息中间件msgQueueClient.send(...);}
}

这个涉及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，就会出现编译报错。

Logger logger = new FileLogger("access-log", true, Level.WARN, "/file/access.log");
logger.log(Level.ERROR, "This is a test log message.");

你可以能会说，这个问题解决起来很简单啊，在 Logger 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 {// 省略其他代码...public void log(Level level, String message) { //do nothing... }
}public class FileLogger extends Logger {// 省略其他代码...@Overridepublic void log(Level level, String message) {if (!isLoggable(level)) return;// 格式化level和message,输出到日志文件fileWriter.write(...);}
}
public class MessageQueueLogger extends Logger {// 省略其他代码...@Overridepublic void log(Level level, String message) {if (!isLoggable(level)) return;// 格式化level和message,输出到消息中间件msgQueueClient.send(...);}
}

这个设计思路虽然可以用，但是，它显然没有之前通过抽象类的实现思路优雅。主要有以下几点原因：

在 Logger 中定义一个空的 log() 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，代码注释有不太好，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 的时候，我们可能会忘记重新实现 log() 方法。不像抽象类，编译器会强制要求子类重写 log() 方法。你可能会说，怎么可能会忘记重新实现呢？我们举个简单的例子，如果 Logger 代码有几百行，有 n 个方法，这个时候你很有可能会忘记重写 log() 方法。
Logger 可以被实例化，换句话说，我们可以 new 一个 Logger 出来，并调用空的 log() 方法。这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。