理论五：接口vs抽象类的区别，如何用普通的类模拟抽象类和接口

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。

你可以先试着回答一下,刚刚我提出的几个问题。如果你对某些问题还有些模糊不清,那也没关系,今天,我会带你把这几个问题彻底搞清楚。下面我们就一起来看！

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,为了让你对这两个语法概念有比较直观的认识,我们拿Java这种编程语言来举例讲解。

首先,我们来看一下,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 {prívate 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);}@overridepublic 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;}@overrideprotected 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,我们来看一下,抽象类具有哪些特性。我总结了下面三点。

• 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log0方法) ,也可以不包含代码实现(比如Logger中的doLog0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doLog0方法。

刚刚我们讲了如何定义抽象类,现在我们再来看一下,在Java这种编程语言中,我们如何定义接口。

// 接口
publíc interface Filter {void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException;
// 接口实现类：鉴权过滤器
public class AuthencationFilter implements Filter {@overridepublic void doFilter(RpcRequest reg) 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 {// filters.add(new AuthencationFilter());// filters.add(new RateLimitFilter());private List 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。

代码非常简洁。结合代码,我们再来看一下,接口都有哪些特性。我也总结了三点。

• 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。

前面我们讲了抽象类和接口的定义,以及各自的语法特性。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、才法的实现,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) 。

抽象类和接口能解决什么编程问题？

刚刚我们学习了抽象类和接口的定义和区别,现在我们再来学习一下，抽象类和接口存在的意义,让你知其然知其所以然。首先，我们来看一下，我什么能要得我它能够解决什么编程问题？

刚刚我们讲到,抽象类不能实例化,只能被继承。而前面的章节中,我们还讲到,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，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?

我们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log0), doLog0方法,新增了isLoggable0)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log0方法。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log0方法。

Logger logger = new FileLogger("access-log", true, Level.WARN, "/users/users/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。我们在Logger父类中,定义一个空的log0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...@Overridepublic void log(Level level, String mesage){if (lisLoggable()) 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...@Overridepublic 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。我为什么这么说呢?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log0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log0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log0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log0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log0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log0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。

其次，我们再来看一下，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。关于接口这个知识点,我会单独再用一节课的时间,更加详细全面的讲解,这里就不展开了。

如何模拟抽象类和接口两个语法概念？

在前面举的例子中,我们使用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？

实际上,我们可以通过抽象类来模拟接口。怎么来模拟呢?这是一个不错的面试题,你可以先思考一下,然后再来看我的讲解。

我们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,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。

刚刚我们讲了如何用抽象类来模拟接口,以及如何用普通类来模拟接口,那如何用普通类来模拟抽象类呢?这个问题留给你自己思考,你可以留言说说你的实现方法。

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?

刚刚的讲解可能有些偏理论,现在,我们就从真实项目开发的角度来看一下,在代码设计、编程开发的时候,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_x0008_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。

重点回顾

好了,今天内容就讲完了，我们一块来总结回顾一下,你需要掌握的重点内容。

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_x0008_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。

课堂讨论

1.你熟悉的编程语言，是否有现成的语法支持接口和抽象类呢？具体是如何定义的呢？

2.前面我们提到,接口和抽象类是两个经常在面试中被问到的概念。学习完今天的内容之后,你是否对抽象类和接口有一个新的认识呢？如果面试官再让你聊聊接口和抽象类，你会如何回答呢？