Java的抽象類 & 介面

真正的飛魚發表於2023-05-10
Java抽象

抽象類

如果自下而上在類的繼承層次結構中上移，位於上層的類更具有通用性，甚至可能更加抽象。從某種角度看，祖先類更加通用，人們只將它作為派生其他類的基類，而不作為想使用的特定的例項類。例如，考慮一下對 Employee 類層次的擴充套件。一名僱員是一個人，一名學生也是一個人。下面將 Person 類和 Student 類新增到類的層次結構中。下圖是這三個類
之間的關係層次圖。

image-20230414175409470.png

為什麼要花費精力進行這樣高層次的抽象呢？每個人都有一些諸如姓名這樣的屬性。學生與僱員都有姓名屬性，因此可以將 getName() 方法放置在位於繼承關係較高層次的通用基類中。現在，再增加一個 getDescription() 方法，它可以返回對一個人的簡短描述。例如：

an employee with a salary of $5000000
a student majoring in computer science

在 Employee 類和 Student 類中實現 getDescription() 這個方法很容易。但是在 Person 類中應該提供什麼內容呢？除了姓名之外，Person 類一無所知。當然，可以讓 Person::getDescription() 返回一個空字串。然而，還有一個更好的方法， 就是使用 abstract 關鍵字，這樣就完全不需要實現這個方法了。

// no implementation required
public abstract String getDescription();

為了提高程式的清晰度，包含一個或多個抽象方法的類本身必須被宣告為抽象的。

public abstract class Person {
	public abstract String getDescription()；
}

除了抽象方法之外，抽象類還可以包含具體資料和具體方法。例如，Person 類還儲存著姓名和一個返回姓名的具體方法。

public abstract class Person {
    private String name;

    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }

    public abstract String getDescription();

    public String getName() {
        return name;
    }
}

提示：許多程式設計師認為，在抽象類中不能包含具體方法。建議儘量將通用的域和方法（不管是否是抽象的）放在基類（不管是否是抽象類）中。

抽象方法充當著佔位的角色，它們的具體實現在子類中。擴充套件抽象類可以有兩種選擇。

  • 一種選擇是：在子類中定義抽象類的部分方法或不定義抽象類的方法，這樣就必須將子類也標記為抽象類；
  • 另一種選擇是：在子類中定義抽象類全部的抽象方法，這樣一來，子類就不是抽象類了。例如，透過擴充套件 Person 抽象類，並實現 getDescription() 方法來定義 Student 類。由於在 Student 類中不再含有抽象方法，所以不必將 Student 類宣告為抽象的。

即使一個類不含抽象方法，也可以將該類宣告為抽象類。

抽象類不能被例項化。也就是說，如果一個類被宣告為 abstract，就不能建立這個類的物件。例如，表示式 new Person("Vince Vu") 是錯誤的，但可以建立一個具體子類的物件。

需要注意，可以定義一個抽象類的物件變數，但是它只能引用非抽象子類的物件。例如：Person p = new Student("Vince Vu", "Economics"); 這裡的 p 是一個 Person 抽象類的物件變數，p 引用了一個 Student 非抽象子類的例項。

在 C++ 中，有一種在尾部用 =0 標記的抽象方法，被稱為純虛擬函式，例如：

// C++
class Person {
    public:
    	virtual string getDescription() = 0;
};

在 C++ 中，一個類只要有一個純虛擬函式，這個類就是抽象類。在 C++ 中，沒有提供用於表示抽象類的特殊關鍵字。

介面

介面（interface）技術主要用來描述類具有什麼功能，而並不給出每個功能的具體實現。

一個類可以實現（implement）—個或多個介面，並在需要介面的地方，隨時使用實現了相應介面的物件。

在下面的小節中，你會了解 Java 介面是什麼以及如何使用介面。

介面概念

在 Java 程式設計語言中，介面不是類，而是對類的一組需求描述，這些類要遵從介面描述的統一格式進行定義。實現介面的類必須定義介面中宣告的所有方法。

在介面中還可以定義常量。然而，更為重要的是要知道介面不能提供哪些功能。介面絕不能含有例項域，在 Java8 之前， 也不能在介面中實現方法。（在 Java8 及之後，可以在介面中實現預設方法。）提供例項域和方法實現的任務應該由實現介面的那個類來完成。

介面中的方法都自動地被設定為 public ，介面中的域都自動地被設定為 public static final。因此，在介面中宣告方法時，不必提供關鍵字 public。

為了讓類實現一個介面，通常需要下面兩個步驟：

  1. 將類宣告為實現給定的介面。要將類宣告為實現某個介面，需要使用 implements 關鍵字
  2. 對介面中的所有方法進行定義。

介面的特性

介面不是類，尤其不能使用 new 運算子例項化一個介面：

x = new Comparable(...); // ERROR

然而， 儘管不能構造介面的物件，卻能宣告介面的變數：

Comparable x; // OK

介面變數必須引用實現了介面的類物件：

x = new Employee(...); // OK provided Employee implements Comparable

接下來，如同使用 instanceof 檢查一個物件是否屬於某個特定類一樣，也可以使用 instanceof 檢查一個物件是否實現了某個特定的介面：

if (anObject instanceof Comparable) { ... }

與可以建立類的繼承關係一樣，介面也可以被擴充套件。這裡允許存在多條從具有較高通用性的介面到較高專用性的介面的鏈。例如，假設有一個被稱為 Moveable 的介面：

public interface Moveable {
	void move(double x, double y);
}

然後，可以以它為基礎 擴充套件一個叫做 Powered 的介面：

public interface Powered extends Moveable {
	double milesPerCallon();
}

雖然在介面中不能包含例項域或靜態方法，但卻可以包含常量。例如：

public interface Powered extends Moveable {
    double milesPerCallonO;
    double SPEED_LIHIT = 95; // a public static final constant
}

與介面中的方法都自動地被設定為 public —樣，介面中的域將被自動設為 public static final。

可以將介面方法標記為 public，將域標記為 public static final。有些程式設計師出於習慣或提高畫質晰度的考慮，願意這樣做。但 Java 語言規範卻建議不要書寫這些多餘的關鍵字。

可以為介面方法提供一個預設實現。必須用 default 修飾符標記這樣一個方法。

public interface Comparable<T> {
    default int compareTo(T other) {
        return 0;
    }
    // By default, all elements are the same
}

介面 & 抽象類

為什麼 Java 程式設計語言還要不辭辛苦地引入介面概念？為什麼不將 Comparable 直接設計成如下所示的抽象類。

// why not?
abstract class Comparable {
	public abstract int compareTo(Object other);
}

然後，Employee 類再直接擴充套件這個抽象類，並提供 compareTo() 方法的實現：

// why not?
class Employee extends Comparable {
	public int compareTo(Object other) { ... }
}

非常遺憾，使用抽象類表示通用屬性存在這樣一個問題：每個類只能擴充套件於一個類。假設 Employee 類已經擴充套件於一個類，例如 Person。它就不能再像下面這樣擴充套件第二個類了：

class Employee extends Person, Comparable // Error

但每個類可以像下面這樣實現多個介面：

class Employee extends Person implements Comparable // OK

有些程式設計語言允許一個類有多個父類，例如 C++。我們將此特性稱為多重繼承（multiple inheritance）。而 Java 的設計者選擇了不支援多繼承，其主要原因是多繼承會讓語言本身變得非常複雜（如同 C++），效率也會降低（如同 Eiffel）。

實際上，介面可以提供多重繼承的大多數好處，同時還能避免多重繼承的複雜性和低效性。

可以將介面看成是沒有例項域的抽象類，但是這兩個概念還是有一定區別的。介面 & 抽象類的區別：

  • 它們可以包含的內容不同：
    • 抽象類中可以包含資料域（例項域、static 域、final 域）、具體方法、抽象方法。
    • 介面中不能包含例項域，但可以包含常量（static final 域）、預設方法。介面中的方法都自動地被設定為 public ，介面中的域都自動地被設定為 public static final
  • 它們的用途不同：
    • 抽象類的用途是：在子類繼承父類時，父類的一些方法實現是不明確的（父類對子類的實現一無所知）。這時需要使父類是抽象類，在子類中提供方法的實現（抽象類和普通的類是十分相似的：普通類中有的，抽象類中也都可以有，只是抽象類中可以有抽象方法）
    • 介面的用途是：介面主要用來描述類具有什麼功能，而並不給出每個功能的具體實現。實現介面的類必須定義介面中宣告的所有方法。確保一個類（實現介面的類）實現一個或一組特定的方法。
  • 在 Java 程式設計語言中，每個類只能夠擁有一個父類，但卻可以實現多個介面

參考資料

《Java核心技術卷一：基礎知識》（第10版）第 5 章：繼承 5.1.9 抽象類

《Java核心技術卷一：基礎知識》（第10版）第 6 章：介面、lambda 表示式與內部類 6.1 介面

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