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
在学习本文之前，可以思考自己几个问题：“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
什么是抽象类和接口？区别在哪里？
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。Java 这种编程语言，既支持抽象类，也支持接口，所以，为了让大家对这两个语法概念有比较直观的认识，本文拿 Java 这种编程语言来举例讲解
- 在 Java 这种编程语言中，我们是如何定义抽象类
- 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.fileWriter = 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(...);
}
}
- 从示例中看到，抽象类的三种特性如下：
- 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
- 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 : filters) {
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。我们通过 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
- 接口三种特性，总结如下：
- 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。
- 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）
抽象类和接口能解决什么编程问题？
- 为什么需要抽象类？它能够解决什么编程问题？
- 刚刚讲到，抽象类不能实例化，只能被继承。而前面的章节中，还讲到，继承能解决代码复用的问题。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，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来讲解。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/wangzheng/access.log");
logger.log(Level.ERROR, "This is a test log message.");
- 那我们在 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
- 我们为什么需要接口？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，我们经常提到的“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
如何模拟抽象类和接口两个语法概念？
- 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，我们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。
- 不过，如果你熟悉的既不是 Java，也不是 C++，而是现在比较流行的动态编程语言，比如 Python、Ruby 等，你可能还会有疑问：在这些动态语言中，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，我们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();
}
}
- 我们知道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。我们将构造函数设置成 protected 属性的，这样就能避免非同包下的类去实例化 MockInterface。不过，这样还是无法避免同包中的类去实例化 MockInterface。为了解决这个问题，我们可以学习 Google Guava 中 @VisibleForTesting 注解的做法，自定义一个注解，人为表明不可实例化
- 实际上，对于动态编程语言来说，还有一种对接口支持的策略，那就是 duck-typing。我们在上一节课中讲到多态的时候也有讲过，你可以再回忆一下。
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
小结
- 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
- 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
- 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
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