第 13 章 抽象类与接口

第 13 章 抽象类与接口

设计良好的软件系统应该具备“可复用性”和“可扩展性”,能够满足用户需求的不断变更。使用抽象类和接口是实现“可复用性”和“可扩展性”重要的设计手段。

13.1 抽象类

Java语言提供了两种类:一种是具体类;另一种是抽象子类。前面章节接触的类都是具体类。这一节介绍一下抽象类。

13.1.1 抽象类概念

在13.4.1节介绍多态时,使用过几何图形类示例,其中Figure(几何图形)类中有一个onDraw(绘图)方法,Figure有两个子类Ellipse(椭圆形)和Triangle(三角形),Ellipse和Triangle覆盖onDraw方法。

作为父类Figure(几何图形)并不知道在实际使用时有多少个子类,目前有椭圆形和三角形,那么不同的用户需求可能会有矩形或圆形等其他几何图形,而onDraw方法只有确定是哪一个子类后才能具体实现。Figure中的onDraw方法不能具体实现,所以只能是一个抽象方法。在Java中具有抽象方法的类称为“抽象类”,Figure是抽象类,其中的onDraw方法是抽象方法。如图13-1所示类图中Figure是抽象类,Ellipse和Triangle是Figure子类实现Figure的抽象方法onDraw。

图13-1 抽象类几何图形类图

提示 在UML类图抽象类和抽象方法字体是斜体的,见图13-1所示中的Figure类和onDraw方法都是斜体的。

13.1.2 抽象类声明和实现

在Java中抽象类和抽象方法的修饰符是abstract,声明抽象类Figure示例代码如下:

//Figure.java文件
package com.a51work6;

public abstract class Figure {            ①
    // 绘制几何图形方法
    public abstract void onDraw();        ②
}

代码第①行是声明抽象类,在类前面加上abstract修饰符。代码第②行声明抽象方法,方法前面的修饰符也是abstract,注意抽象方法中只有方法的声明,没有方法的实现,即没有大括号({})部分。

注意 如果一个方法被声明为抽象的,那么这个类也必须声明为抽象的。而一个抽象类中,可以有0~n个抽象方法,以及0~n具体方法。

设计抽象方法目的就是让子类来实现的,否则抽象方法就没有任何意义,实现抽象类示例代码如下:

//Ellipse.java文件
package com.a51work6;

//几何图形椭圆形
public class Ellipse extends Figure {

    //绘制几何图形方法
    @Override
    public void onDraw() {
        System.out.println("绘制椭圆形...");
    }
}

//Triangle.java文件
package com.a51work6;

//几何图形三角形
public class Triangle extends Figure {

    // 绘制几何图形方法
    @Override
    public void onDraw() {
        System.out.println("绘制三角形...");
    }
}

上述代码声明了两个具体类Ellipse和Triangle,它们实现(覆盖)了抽象类Figure的抽象方法onDraw。

调用代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.a51work6;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        // f1变量是父类类型,指向子类实例,发生多态
        Figure f1 = new Triangle();
        f1.onDraw();

        // f2变量是父类类型,指向子类实例,发生多态
        Figure f2 = new Ellipse();
        f2.onDraw();
    }
}

上述代码中实例化两个具体类Triangle和Ellipse,对象f1和f2是Figure引用类型。

注意 抽象类不能被实例化,只有具体类才能被实例化。

13.2 使用接口

比抽象类更加抽象的是接口,在接口中所有的方法都是抽象的。

提示 Java 8之后接口中新增加了默认方法,因此“接口中所有的方法都是抽象的”这个提法在Java 8之后是有待商榷。

13.2.1 接口概念

其实13.1.1节抽象类Figure可以更加彻底,即Figure接口,接口中所有方法都是抽象的,而且接口可以有成员变量。将13.1.1节几何图形类改成接口后,类图如图13.2所示。

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图13-2 接口几何图形类图

提示 在UML类图中接口的图标是“I”,见图13-2所示中的Figure接口。类的图标是“C”,见图13-2所示中的Triangle接口。

13.2.2 接口声明和实现

在Java中接口的声明使用的关键字是interface,声明接口Figure示例代码如下:

//Figure.java文件
package com.a51work6;

public interface Figure {                                 ①
    //接口中静态成员变量
    String name = "几何图形";//省略public static final    ②

    // 绘制几何图形方法
    void onDraw();            //省略public                ③
}

代码第①行是声明Figure接口,声明接口使用interface关键字,interface前面的修饰符是public或省略。public是公有访问级别,可以在任何地方访问。省略是默认访问级别,只能在当前包中访问。

代码第②行声明接口中的成员变量,在接口中成员变量都静态成员变量,即省略了public static final修饰符。代码第③行是声明抽象方法,即省略了public关键字。

某个类实现接口时,要在声明时使用implements关键字,当实现多个接口之间用逗号(,)分隔。实现接口时要实现接口中声明的所有方法。

实现接口Figure示例代码如下:

//Ellipse.java文件
package com.a51work6.imp;

import com.a51work6.Figure;

//几何图形椭圆形
public class Ellipse implements Figure {

    //绘制几何图形方法
    @Override
    public void onDraw() {
        System.out.println("绘制椭圆形...");
    }
}

//Triangle.java文件
package com.a51work6.imp;

import com.a51work6.Figure;

//几何图形三角形
public class Triangle implements Figure {

    // 绘制几何图形方法
    @Override
    public void onDraw() {
        System.out.println("绘制三角形...");
    }
}

上述代码声明了两个具体类Ellipse和Triangle,它们实现了接口Figure中的抽象方法onDraw。

调用代码如下:

//HelloWorld.java文件
import com.a51work6.imp.Ellipse;
import com.a51work6.imp.Triangle;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        // f1变量是父类类型,指向子类实例,发生多态
        Figure f1 = new Triangle();
        f1.onDraw();
        System.out.println(f1.name);         ①
        System.out.println(Figure.name);     ②

        // f2变量是父类类型,指向子类实例,发生多态
        Figure f2 = new Ellipse();
        f2.onDraw();
    }
}

上述代码中实例化两个具体类Triangle和Ellipse,对象f1和f2是Figure接口引用类型。接口Figure中声明了成员变量,它是静态成员变量,代码第①行和第②行是访问name静态变量。

注意 接口与抽象类一样都不能被实例化。

13.2.3 接口与多继承

在C++语言中一个类可以继承多个父类,但这会有潜在的风险,如果两个父类在有相同的方法,那么子类将继承哪一个父类方法呢?这就是C++多继承所导致的冲突问题。

在Java中只允许继承一个类,但可实现多个接口。通过实现多个接口方式满足多继承的设计需求。如果多个接口中即便有相同方法,它们也都是抽象的,子类实现它们不会有冲突。

图13-3所示是多继承类图,其中的有两个接口InterfaceA和InterfaceB,从类图中可以见两个接口中都有一个相同的方法void methodB()。AB实现了这两个接口,继承了Object父类。

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图13-3 多继承类图

接口InterfaceA和InterfaceB代码如下:

//InterfaceA.java文件
package com.a51work6;

public interface InterfaceA {

    void methodA();

    void methodB();
}

//InterfaceB.java文件
package com.a51work6;

public interface InterfaceB {

    void methodB();

    void methodC();
}

从代码中可见两个接口都有两个方法,其中方法methodB()完全相同。

实现接口InterfaceA和InterfaceB的AB类代码如下:

//AB.java文件
package com.a51work6.imp;

import com.a51work6.InterfaceA;
import com.a51work6.InterfaceB;

public class AB extends Object implements InterfaceA, InterfaceB {    ①

    @Override
    public void methodC() {
    }

    @Override
    public void methodA() {
    }

    @Override
    public void methodB() {            ②
    }
}

在AB类中的代码第②行实现methodB()方法。注意在AB类声明时,实现两个接口,接口之间使用逗号(,)分隔,见代码第①行。

13.2.4 接口继承

Java语言中允许接口和接口之间继承。由于接口中的方法都是抽象方法,所以继承之后也不需要做什么,因此接口之间的继承要比类之间的继承简单的多。如图4-4所示,其中InterfaceB继承了InterfaceA,在InterfaceB中还覆盖了InterfaceA中的methodB()方法。ABC是InterfaceB接口的实现类,从图4-4中可见ABC需要实现InterfaceA和InterfaceB接口中的所有方法。

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图13-4 接口继承类图

接口InterfaceA和InterfaceB代码如下:

//InterfaceA.java文件
package com.a51work6;

public interface InterfaceA {

    void methodA();

    void methodB();
}

//InterfaceB.java文件
package com.a51work6;

public interface InterfaceB extends InterfaceA {

    @Override
    void methodB();

    void methodC();
}

InterfaceB继承了InterfaceA,声明时也使用extends关键字。InterfaceB 中的methodB()覆盖了InterfaceA,事实上在接口中覆盖方法,并没有实际意义,因为它们都是抽象的,都是留给子类实现的。

实现接口InterfaceB的ABC类代码如下:

//ABC.java文件
package com.a51work6.imp;

import com.a51work6.InterfaceB;

public class ABC implements InterfaceB {

    @Override
    public void methodA() {
    }

    @Override
    public void methodB() {
    }

    @Override
    public void methodC() {
    }
}

ABC类实现了接口InterfaceB,事实上是实现InterfaceA和InterfaceB中所有方法,相当于同时实现InterfaceA和InterfaceB接口。

13.2.5 Java 8新特性默认方法和静态方法

在Java 8之前,尽管Java语言中接口已经非常优秀了,但相比其他面向对象的语言而言Java接口存在如下不足之处:

  1. 不能可选实现方法,接口的方法全部是抽象的,实现接口时必须全部实现接口中方法,哪怕是有些方法并不需要,也必须实现。

  2. 没有静态方法。

针对这些问题,Java 8在接口中提供了声明默认方法和静态方法的能力。接口示例代码如下:

//InterfaceA.java文件
package com.a51work6;

public interface InterfaceA {

    void methodA();

    String methodB();

    // 默认方法
    default int methodC() {
        return 0;
    }

    // 默认方法
    default String methodD() {
        return "这是默认方法...";
    }

    // 静态方法
    static double methodE() {
        return 0.0;
    }
}

在接口InterfaceA中声明了两个抽象方法methodA和methodB,两个默认方法methodC和methodD,还有声明了静态方法methodE。接口中的默认方法类似于类中具体方法,给出了具体实现,只是方法修饰符是default。接口中静态方法类似于类中静态方法。

实现接口示例代码如下:

//ABC.java文件
package com.a51work6.imp;

import com.a51work6.InterfaceA;

public class ABC implements InterfaceA {

    @Override
    public void methodA() {
    }

    @Override
    public String methodB() {
        return "实现methodB方法...";
    }

    @Override
    public int methodC() {
        return 500;
    }
}

实现接口时接口中原有的抽象方法在实现类中必须实现。默认方法可以根据需要有选择实现(覆盖)。静态方法不需要实现,实现类中不能拥有接口中的静态方法。

上述代码中ABC类实现了InterfaceA接口,InterfaceA接口中的两个默认方法ABC只是实现(覆盖)了methodB。

调用代码如下:

//HelloWorld.java文件
package com.a51work6.imp;

import com.a51work6.InterfaceA;

public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {

        //声明接口类型,对象是实现类,发生多态
        InterfaceA abc = new ABC();

        // 访问实现类methodB方法
        System.out.println(abc.methodB());

        // 访问默认方法methodC
        System.out.println(abc.methodC());               ①

        // 访问默认方法methodD
        System.out.println(abc.methodD());               ②

        // 访问InterfaceA静态方法methodE
        System.out.println(InterfaceA.methodE());        ③
    }
}

运行结果:

实现methodB方法...
500
这是默认方法...
0.0

从运行结果可见,代码第①行调用默认方法methodC,是调用类AB中的实现。代码第②行调用默认方法methodD,是调用接口InterfaceA中的实现。代码第③行调用接口静态方法,只能通过接口名(InterfaceA)调用,不能通过实现类ABC调用,可以这样理解接口中声明的静态方法与其他实现类没有任何关系。

13.3 抽象类与接口区别

经过前面的学习,广大读者应该对于抽象类和接口有所了解,但可能会有这样的疑问抽象类和接口有什么区别?本节就回答这个问题。

归纳抽象类与接口区别如下:

  1. 接口支持多继承,而抽象类(包括具体类)只能继承一个父类。

  2. 接口中不能有实例成员变量,接口所声明的成员变量全部是静态常量,即便是变量不加public static final修饰符也是静态常量。抽象类与普通类一样各种形式的成员变量都可以声明。

  3. 接口中没有包含构造方法,由于没有实例成员变量,也就不需要构造方法了。抽象类中可以有实例成员变量,也需要构造方法。

  4. 抽象类中可以声明抽象方法和具体方法。Java 8之前接口中只有抽象方法,而Java 8之后接口中也可以声明具体方法,具体方法通过声明默认方法实现。

提示 学习了接口默认方法后,有些读者还会有这样的疑问,Java 8之后接口可以声明抽象方法和具体方法,这就相当于抽象类一样了吗?在多数情况下接口不能替代抽象类,例如当需要维护一个对象的信息和状态时只能使用抽象类,而接口不行,因为维护一个对象的信息和状态需要存储在实例成员变量中,而接口中不能声明实例成员变量。

本章小结

通过对本章的学习,读者可以了解抽象类和接口的概念,掌握如何声明抽象类和接口,如何实现抽象类和接口。了解Java 8之后的接口的新变化。熟悉抽象类和接口的区别。