设计模式之美学习（六）：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常常被用到的语法概念，是面向对象四大特性，以及不少设计模式、设计思想、设计原则编程实现的基础。好比，咱们可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，并非全部的面向对象编程语言都支持这两个语法概念，好比，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，咱们仍然能够经过一些手段来模拟实现这两个语法概念。

这两个语法概念不只在工做中常常会被用到，在面试中也常常被说起。好比，“接口和抽象类的区别是什么？何时用接口？何时用抽象类？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？

不一样的编程语言对接口和抽象类的定义方式可能有些差异，但差异并不会很大。

首先来看一下，在 Java 这种编程语言中，咱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，分别实现两种不一样的日志记录方式：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，但由于这两个子类写日志的方式不一样，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.writer = 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(好比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(...);
  }
}复制代码

经过上面的这个例子来看一下，抽象类具备哪些特性。

• 抽象类不容许被实例化，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）。
• 抽象类能够包含属性和方法。方法既能够包含代码实现（好比 Logger 中的 log() 方法），也能够不包含代码实现（好比 Logger 中的 doLog() 方法）。不包含代码实现的方法叫做抽象方法。
• 子类继承抽象类，必须实现抽象类中的全部抽象方法。对应到例子代码中就是，全部继承 Logger 抽象类的子类，都必须重写 doLog() 方法。

再来看一下，在 Java 这种编程语言中，咱们如何定义接口。

// 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 : fitlers) {
        filter.doFilter(req);
      }
    } catch(RpcException e) {
      // ...处理过滤结果...
    }
    // ...省略其余处理逻辑...
  }
}复制代码

上面这段代码是一个比较典型的接口的使用场景。经过 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。

代码很是简洁。结合代码再来看一下，接口都有哪些特性。

• 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全部方法。

从语法特性上对比，这二者有比较大的区别，好比抽象类中能够定义属性、方法的实现，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，二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。咱们知道，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 关系来讲，接口表示一种 has-a 关系，表示具备某些功能。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？

为何须要抽象类？它可以解决什么编程问题？

抽象类也是为代码复用而生的。多个子类能够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，既然继承自己就能达到代码复用的目的，而继承也并不要求父类必定是抽象类，那咱们不使用抽象类，照样也能够实现继承和复用。从这个角度上来说，咱们貌似并不须要抽象类这种语法呀。那抽象类除了解决代码复用的问题，还有什么其余存在的意义吗？

仍是拿以前那个打印日志的例子。咱们先对上面的代码作下改造。在改造以后的代码中，Logger 再也不是抽象类，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 仍是继承 Logger 父类，以达到代码复用的目的。具体的代码以下：

// 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(好比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(...);
  }
}复制代码

这个设计思路虽然达到了代码复用的目的，可是没法使用多态特性了。像下面这样编写代码，就会出现编译错误，由于 Logger 中并无定义 log() 方法。

Logger logger = new FileLogger("access-log", true, Level.WARN, "/users/muchen/access.log");
logger.log(Level.ERROR, "This is a test log message.");复制代码

你可能会说，这个问题解决起来很简单啊。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，实现本身的记录日志的逻辑，不就能够了吗？

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(...);
  }
}复制代码

这个设计思路能用，可是，它显然没有以前经过抽象类的实现思路优雅。为何这么说呢？主要有如下几点缘由。

• 在 Logger 中定义一个空的方法，会影响代码的可读性。若是咱们不熟悉 Logger 背后的设计思想，代码注释又不怎么给力，咱们在阅读 Logger 代码的时候，就可能对为何定义一个空的 log() 方法而感到疑惑，须要查看 Logger、FileLogger、MessageQueueLogger 之间的继承关系，才能弄明白其设计意图。
• 当建立一个新的子类继承 Logger 父类的时候，咱们有可能会忘记从新实现 log() 方法。以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，不然会报编译错误。你可能会说，我既然要定义一个新的 Logger 子类，怎么会忘记从新实现 log() 方法呢？咱们举的例子比较简单，Logger 中的方法很少，代码行数也不多。可是，若是 Logger 有几百行，有 n 多方法，除非你对 Logger 的设计很是熟悉，不然忘记从新实现 log() 方法，也不是不可能的。
• Logger 能够被实例化，换句话说，咱们能够 new 一个 Logger 出来，而且调用空的 log() 方法。这也增长了类被误用的风险。固然，这个问题能够经过设置私有的构造函数的方式来解决。不过，显然没有经过抽象类来的优雅。

为何须要接口？它可以解决什么编程问题？

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，至关于一组协议或者契约，你能够联想类比一下 API 接口。调用者只须要关注抽象的接口，不须要了解具体的实现，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，能够下降代码间的耦合性，提升代码的可扩展性。

实际上，接口是一个比抽象类应用更加普遍、更加剧要的知识点。好比，常常提到的“基于接口而非实现编程”，就是一条几乎每天会用到，而且能极大地提升代码的灵活性、扩展性的设计思想。

如何模拟抽象类和接口两个语法概念？

在前面举的例子中，使用 Java 的接口语法实现了一个 Filter 过滤器。不过，若是你熟悉的是 C++ 这种编程语言，你可能会说，C++ 只有抽象类，并无接口，那从代码实现的角度上来讲，是否是就没法实现 Filter 的设计思路了呢？

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全部方法。只要知足这样几点，从设计的角度上来讲，咱们就能够把它叫做接口。实际上，要知足接口的这些语法特性并不难。在下面这段 C++ 代码中，就用抽象类模拟了一个接口（下面这段代码其实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();
};复制代码

抽象类 Strategy 没有定义任何属性，而且全部的方法都声明为 virtual 类型（等同于 Java 中的 abstract 关键字），这样，全部的方法都不能有代码实现，而且全部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，这个抽象类就至关于一个接口。

在 Python、Ruby 这些动态语言中，不只没有接口的概念，也没有相似 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以外，还能够用普通类来模拟接口。具体的 Java 代码实现以下所示。

public class MockInteface {
  protected MockInteface() {}
  public void funcA() {
    throw new MethodUnSupportedException();
  }
}复制代码

类中的方法必须包含实现，这个不符合接口的定义。可是，咱们可让类中的方法抛出 MethodUnSupportedException 异常，来模拟不包含实现的接口，而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，不然就会在运行时抛出异常。那又如何避免这个类被实例化呢？实际上很简单，咱们只须要将这个类的构造函数声明为 protected 访问权限就能够了。

如何决定该用抽象类仍是接口？

实际上，判断的标准很简单。若是咱们要表示一种 is-a 的关系，而且是为了解决代码复用的问题，咱们就用抽象类；若是咱们要表示一种 has-a 关系，而且是为了解决抽象而非代码复用的问题，那咱们就可使用接口。

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，而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。咱们在编程的时候，通常都是先设计接口，再去考虑具体的实现。

重点回顾

1. 抽象类和接口的语法特性

抽象类不容许被实例化，只能被继承。它能够包含属性和方法。方法既能够包含代码实现，也能够不包含代码实现。不包含代码实现的方法叫做抽象方法。子类继承抽象类，必须实现抽象类中的全部抽象方法。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全部方法。

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，表示具备某一组行为特性，是为了解决解耦问题，隔离接口和具体的实现，提升代码的扩展性。

3. 抽象类和接口的应用场景区别

何时该用抽象类？何时该用接口？实际上，判断的标准很简单。若是要表示一种 is-a 的关系，而且是为了解决代码复用问题，咱们就用抽象类；若是要表示一种 has-a 关系，而且是为了解决抽象而非代码复用问题，那咱们就用接口。

思考

• 接口和抽象类是两个常常在面试中被问到的概念。若是面试官再让你聊聊接口和抽象类，你会如何回答呢？

参考：接口vs抽象类的区别？如何用普通的类模拟抽象类和接口？

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