當使用繼承的時候,主要是為了不必重新開發,并且在不必了解實現細節的情況下擁有了父類我所需要的特征。
但是很多時候,一個子類并不需要父類的所有特征,它可能只是需要其中的某些特征,但是由于通過繼承,父類所有的特征都有了,需
要的和不需要的特征同時具備了。而那些子類實際上不需要用到的,有時候甚至是極力避免使用的特征也可以隨便使用,這就是繼承的
副作用。特別是允許多重繼承的OO語言中,很容易引起不容易發現的錯誤。所以在OO的語言中,會創造出各種規定來限制子類使用父
類中的某些方法。
如果狗的主人只是希望狗能爬比較低的樹,但是不希望它尾巴可以倒掛在樹上,像猴子那樣可以飛檐走壁,以免主人管不住它。那么狗
的主人肯定不會要一只猴子繼承的狗。
設計模式更多的強調面向接口。猴子有兩個接口,一個是爬樹,一個是尾巴倒掛。我現在只需要我的狗爬樹,但是不要它尾巴倒掛,那
么我只要我的狗實現爬樹的接口就行了。同時不會帶來像繼承猴子來帶來的尾巴倒掛的副作用。這就是接口的好處。
OO技術發展也有好多年了,一個很明顯的趨勢就是繼承的使用越來越少,而接口的使用越來越廣泛了。其實只要稍微比較一下JDK里面
那些最早就有的類庫和最近才加進去的類庫,就可以很明顯的感覺到OO技術領域的編程風格的變遷,由大量的繼承到幾乎無處不用的面
向接口編程。
呵呵,接口不是替代繼承。比如說我現在就是要我的動物去爬樹,我根本就不需要知道到底是狗去爬樹還是猴子去爬樹。我派一個“能爬
樹”的動物去爬。這個能爬樹的動物既可以是猴子,也可以是狗。這樣不是很靈活嗎?
狗(爬樹,咬人)
猴子(爬樹,尾巴倒掛)
如果我只要滿足爬樹的要求,我根本就不管它是不是狗。
如果我既要爬樹也要咬人,那么我當然可以選狗,也可以創建一個接口(爬樹咬人),然后讓狗實現(爬樹咬人)接口。
因為我要的是實現我的軟件的功能,只要實現了我需求的功能,我管它是不是狗呢?也許狗可以,也許狗不可以,也許狗今天可以,以
后又不可以了。我都不管。我只要(爬樹咬人)接口。
也許我原來一直用狗來完成我的爬樹咬人接口,但是后來我發現另一種動物,比如貓吧,在爬樹咬人這個功能上比狗更靈活,于是我就
用貓替換了狗,而且代碼一點都不需要修改。
有父子關系的類,父類和子類一定能像動植物學里一樣,能劃分到同一個科種。父類一定比子類更抽象,父類描述的是一般普遍具有的
,子類描述相對父類而言是更進一步的具體行為和特征。這就是使用繼承最原始的動力。
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abstract class和interface是Java語言中對于抽象類定義進行支持的兩種機制,正是由于這兩種機制的存在,才賦予了Java強大的面向對象能
力。abstract class和interface之間在對于抽象類定義的支持方面具有很大的相似性,甚至可以相互替換,因此很多開發者在進行抽象類定
義時對于abstract class和interface的選擇顯得比較隨意。其實,兩者之間還是有很大的區別的,對于它們的選擇甚至反映出對于問題領域
本質的理解、對于設計意圖的理解是否正確、合理。本文將對它們之間的區別進行一番剖析,試圖給開發者提供一個在二者之間進行選
擇的依據。
理解抽象類
abstract class和interface在Java語言中都是用來進行抽象類(本文中的抽象類并非從abstract class翻譯而來,它表示的是一個抽象體,而
abstract class為Java語言中用于定義抽象類的一種方法,請讀者注意區分)定義的,那么什么是抽象類,使用抽象類能為我們帶來什么好
處呢?
在面向對象的概念中,我們知道所有的對象都是通過類來描繪的,但是反過來卻不是這樣。并不是所有的類都是用來描繪對象的,如果
一個類中沒有包含足夠的信息來描繪一個具體的對象,這樣的類就是抽象類。抽象類往往用來表征我們在對問題領域進行分析、設計中
得出的抽象概念,是對一系列看上去不同,但是本質上相同的具體概念的抽象。比如:如果我們進行一個圖形編輯軟件的開發,就會發
現問題領域存在著圓、三角形這樣一些具體概念,它們是不同的,但是它們又都屬于形狀這樣一個概念,形狀這個概念在問題領域是不
存在的,它就是一個抽象概念。正是因為抽象的概念在問題領域沒有對應的具體概念,所以用以表征抽象概念的抽象類是不能夠實例化
的。
在面向對象領域,抽象類主要用來進行類型隱藏。我們可以構造出一個固定的一組行為的抽象描述,但是這組行為卻能夠有任意個可能
的具體實現方式。這個抽象描述就是抽象類,而這一組任意個可能的具體實現則表現為所有可能的派生類。模塊可以操作一個抽象體。
由于模塊依賴于一個固定的抽象體,因此它可以是不允許修改的;同時,通過從這個抽象體派生,也可擴展此模塊的行為功能。熟悉
OCP的讀者一定知道,為了能夠實現面向對象設計的一個最核心的原則OCP(Open-Closed Principle),抽象類是其中的關鍵所在。
從語法定義層面看abstract class和interface
在語法層面,Java語言對于abstract class和interface給出了不同的定義方式,下面以定義一個名為Demo的抽象類為例來說明這種不同。
使用abstract class的方式定義Demo抽象類的方式如下:
for examples http://www.bt285.cn http://www.5a520.cn
abstract class Demo {
abstract void method1();
abstract void method2();
…
}
使用interface的方式定義Demo抽象類的方式如下:
interface Demo {
void method1();
void method2();
…
}
在abstract class方式中,Demo可以有自己的數據成員,也可以有非abstarct的成員方法,而在interface方式的實現中,Demo只能夠有靜態
的不能被修改的數據成員(也就是必須是static final的,不過在interface中一般不定義數據成員),所有的成員方法都是abstract的。從某
種意義上說,interface是一種特殊形式的abstract class。
從編程的角度來看,abstract class和interface都可以用來實現"design by contract"的思想。但是在具體的使用上面還是有一些區別的。
首先,abstract class在Java語言中表示的是一種繼承關系,一個類只能使用一次繼承關系。但是,一個類卻可以實現多個interface。也許
,這是Java語言的設計者在考慮Java對于多重繼承的支持方面的一種折中考慮吧。
其次,在abstract class的定義中,我們可以賦予方法的默認行為。但是在interface的定義中,方法卻不能擁有默認行為,為了繞過這個限
制,必須使用委托,但是這會 增加一些復雜性,有時會造成很大的麻煩。
在抽象類中不能定義默認行為還存在另一個比較嚴重的問題,那就是可能會造成維護上的麻煩。因為如果后來想修改類的界面(一般通
過abstract class或者interface來表示)以適應新的情況(比如,添加新的方法或者給已用的方法中添加新的參數)時,就會非常的麻煩,
可能要花費很多的時間(對于派生類很多的情況,尤為如此)。但是如果界面是通過abstract class來實現的,那么可能就只需要修改定義
在abstract class中的默認行為就可以了。
同樣,如果不能在抽象類中定義默認行為,就會導致同樣的方法實現出現在該抽象類的每一個派生類中,違反了"one rule,one place"原
則,造成代碼重復,同樣不利于以后的維護。因此,在abstract class和interface間進行選擇時要非常的小心。
從設計理念層面看abstract class和interface
上面主要從語法定義和編程的角度論述了abstract class和interface的區別,這些層面的區別是比較低層次的、非本質的。本小節將從另一
個層面:abstract class和interface所反映出的設計理念,來分析一下二者的區別。作者認為,從這個層面進行分析才能理解二者概念的本
質所在。
前面已經提到過,abstarct class在Java語言中體現了一種繼承關系,要想使得繼承關系合理,父類和派生類之間必須存在"is a"關系,即
父類和派生類在概念本質上應該是相同的(參考文獻〔3〕中有關于"is a"關系的大篇幅深入的論述,有興趣的讀者可以參考)。對于
interface 來說則不然,并不要求interface的實現者和interface定義在概念本質上是一致的,僅僅是實現了interface定義的契約而已。為了使
論述便于理解,下面將通過一個簡單的實例進行說明。
考慮這樣一個例子,假設在我們的問題領域中有一個關于Door的抽象概念,該Door具有執行兩個動作open和close,此時我們可以通過
abstract class或者interface來定義一個表示該抽象概念的類型,定義方式分別如下所示:
使用abstract class方式定義Door:
for examples http://www.feng123.com
abstract class Door {
abstract void open();
abstract void close();
}
使用interface方式定義Door:
interface Door {
void open();
void close();
}
其他具體的Door類型可以extends使用abstract class方式定義的Door或者implements使用interface方式定義的Door。看起來好像使用abstract
class和interface沒有大的區別。
如果現在要求Door還要具有報警的功能。我們該如何設計針對該例子的類結構呢(在本例中,主要是為了展示abstract class和interface反
映在設計理念上的區別,其他方面無關的問題都做了簡化或者忽略)?下面將羅列出可能的解決方案,并從設計理念層面對這些不同的
方案進行分析。
解決方案一:
簡單的在Door的定義中增加一個alarm方法,如下:
abstract class Door {
abstract void open();
abstract void close();
abstract void alarm();
}
或者
interface Door {
void open();
void close();
void alarm();
}
那么具有報警功能的AlarmDoor的定義方式如下:
class AlarmDoor extends Door {
void open() { … }
void close() { … }
void alarm() { … }
}
或者
class AlarmDoor implements Door {
void open() { … }
void close() { … }
void alarm() { … }
}
這種方法違反了面向對象設計中的一個核心原則ISP(Interface Segregation Priciple),在Door的定義中把Door概念本身固有的行為方法和
另外一個概念"報警器"的行為方法混在了一起。這樣引起的一個問題是那些僅僅依賴于Door這個概念的模塊會因為"報警器"這個概念的
改變(比如:修改alarm方法的參數)而改變,反之依然。
解決方案二:
既然open、close和alarm屬于兩個不同的概念,根據ISP原則應該把它們分別定義在代表這兩個概念的抽象類中。定義方式有:這兩個概念
都使用abstract class方式定義;兩個概念都使用interface方式定義;一個概念使用abstract class方式定義,另一個概念使用interface方式定
義。
顯然,由于Java語言不支持多重繼承,所以兩個概念都使用abstract class方式定義是不可行的。后面兩種方式都是可行的,但是對于它們
的選擇卻反映出對于問題領域中的概念本質的理解、對于設計意圖的反映是否正確、合理。我們一一來分析、說明。
如果兩個概念都使用interface方式來定義,那么就反映出兩個問題:1、我們可能沒有理解清楚問題領域,AlarmDoor在概念本質上到底是
Door還是報警器?2、如果我們對于問題領域的理解沒有問題,比如:我們通過對于問題領域的分析發現AlarmDoor在概念本質上和Door
是一致的,那么我們在實現時就沒有能夠正確的揭示我們的設計意圖,因為在這兩個概念的定義上(均使用interface方式定義)反映不出
上述含義。
如果我們對于問題領域的理解是:AlarmDoor在概念本質上是Door,同時它有具有報警的功能。我們該如何來設計、實現來明確的反映出
我們的意思呢?前面已經說過,abstract class在Java語言中表示一種繼承關系,而繼承關系在本質上是"is a"關系。所以對于Door這個概
念,我們應該使用abstarct class方式來定義。另外,AlarmDoor又具有報警功能,說明它又能夠完成報警概念中定義的行為,所以報警概
念可以通過interface方式定義。如下所示:
abstract class Door {
abstract void open();
abstract void close();
}
interface Alarm {
void alarm();
}
class AlarmDoor extends Door implements Alarm {
void open() { … }
void close() { … }
void alarm() { … }
}
這種實現方式基本上能夠明確的反映出我們對于問題領域的理解,正確的揭示我們的設計意圖。其實abstract class表示的是"is a"關系,
interface表示的是"like a"關系,大家在選擇時可以作為一個依據,當然這是建立在對問題領域的理解上的,比如:如果我們認為
AlarmDoor在概念本質上是報警器,同時又具有Door的功能,那么上述的定義方式就要反過來了。
結論
abstract class和interface是Java語言中的兩種定義抽象類的方式,它們之間有很大的相似性。但是對于它們的選擇卻又往往反映出對于問
題領域中的概念本質的理解、對于設計意圖的反映是否正確、合理,因為它們表現了概念間的不同的關系(雖然都能夠實現需求的功能
)。這其實也是語言的一種的慣用法。