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Java——抽象类与接口的前世今生

该系列博文会告诉你如何从入门到进阶,一步步地学习Java基础知识,并上手进行实战,接着了解每个Java知识点背后的实现原理,更完整地了解整个Java技术体系,形成自己的知识框架。

1、抽象类:

当编写一个类时,常常会为该类定义一些方法,这些方法用以描述该类的行为方式,那么这些方法都有具体的方法体。但在某些情况下,某个父类只是知道其子类应该包含怎样的方法,但无法准确地知道这些子类如何实现这些方法。例如定义了一个Shape类,这个类应该提供一个计算周长的方法calPerimeter(),但不同Shape子类对周长的计算方法是不一样的,即Shape类无法准确地知道其子类计算周长的方法。

可能有读者会提出,既然Shape类不知道如何实现calPerimeter()方法,那就干脆不要管它了!这不是一个好思路:假设有一个Shape引用变量,该变量实际上引用到Shape子类的实例,那么这个Shape变量就无法调用calPerimeter()方法,必须将其强制类型转换为其子类类型,才可调用calPerimeter0方法,这就降低了程序的灵活性。

如何既能让Shape类里包含calPerimeter()方法,又无须提供其方法实现呢?使用抽象方法即可满足该要求:抽象方法是只有方法签名,没有方法实现的方法。

定义

抽象方法和抽象类必须使用abstract修饰符来定义,有抽象方法的类只能被定义成抽象类,抽象类里面可以没有抽象方法。

抽象方法和抽象类的规则如下:

  • 抽象类必须使用abstract修饰符来修饰,抽象方法也必须使用abstract修饰符来修饰,抽象方法不能有方法体。
  • 抽象类不能被实例化,无法使用new关键字来调用抽象类的构造器创建抽象类的实例。即使抽象类里不包含抽象方法,这个抽象类也不能创建实例。
  • 抽象类可以包含成员变量、方法(普通方法和抽象方法都可以)、构造器、初始化块、内部类(接口、枚举)5种成分。抽象类的构造器不能用于创建实例,主要是用于被其子类调用。
  • 含有抽象方法的类(包括直接定义了一个抽象方法;或继承了一个抽象父类,但没有完全实现父类包含的抽象方法;或实现了一个接口,但没有完全实现接口包含的抽象方法三种情况)只能被定义成抽象类。

说了一大堆概念,听得有点糊涂了,下面我们来看一段代码:

下面定义一个Shape抽象类:

public abstract class Shape {
	
	{
		System.out.println("执行Shape的初始化块");
	}
	
	private String color;
	
	//定义一个计算周长的抽象方法
	public abstract double calPerimeter();
	
	//定义一个返回形状的抽象方法
	public abstract String getType();
	
	//定义Shape的构造器,该构造器并不是用于创建对象,而是被子类调用
	public Shape() {}
	
	public Shape(String color) {
		System.out.println("执行Shape的构造器");
		this.color=color;
	}

	public String getColor() {
		return color;
	}

	public void setColor(String color) {
		this.color = color;
	}
	

}

上面的Shape类里包含了两个抽象方法:calPerimeter()和 getType(),所以这个Shape类只能被定义成抽象类。Shape类里既包含了初始化块,也包含了构造器,这些都不是在创建 Shape对象时被调用的,而是在创建其子类的实例时被调用。

抽象类不能用作创建实例,只能当做父类被其他子类继承。

下面定义一个三角形类,三角形类被定义成普通类,继承Shape抽象类,因此必须实现Shape类中的抽象方法

public class Triangle extends Shape {
	
	//定义三角形的三边
	private double a;
	private double b;
	private double c;
	
	public Triangle(String color,double a,double b,double c) {
		super(color);
		setSize(a, b, c);
	}
	
	public void setSize(double a,double b,double c) {
		if(a+b<=c||a+c<=b||b+c<=a) {
			System.out.println("三角形两边之和必须大于第三边");
			return;
		}
		this.a=a;
		this.b=b;
		this.c=c;
	}
	
	

	//重写Shape类计算周长的方法
	@Override
	public double calPerimeter() {
		return a+b+c;
	}

	//重写Shape类返回形状的方法
	@Override
	public String getType() {
		// TODO Auto-generated method stub
		return "三角形";
	}

}

上面的Triangle类继承了Shape抽象类,并实现了Shape类中两个抽象方法,是一个普通类,因此可以创建 Triangle类的实例,可以让一个Shape类型的引用变量指向Triangle对象。

下面编写测试代码:

public class TestShape {

	public static void main(String[] args) {
		Shape s1=new Triangle("黑色", 3, 4, 5);
		System.out.println(s1.getColor());
		System.out.println(s1.getType());
	}
}

输出结果:

执行Shape的初始化块
执行Shape的构造器
黑色
三角形

利用抽象类和抽象方法的优势,可以更好的发挥多态的优势,使得程序更加灵活。

使用抽象类有以下几点需要注意:

1、当使用abstract修饰类时,表明这个类时抽象类,不能实例化,只能被继承;当使用abstract修饰方法时,表明这个方法必须由子类去实现。

2、final修饰的类不能被继承,final修饰的方法不能被重写,因此final和abstract不能同时出现。

3、abstract不能用于修饰成员变量,不能用于修饰局部变量,即没有抽象变量、没有抽象成员变量等说法;abstract也不能用于修饰构造器,没有抽象构造器,抽象类里定义的构造器只能是普通构造器。

4、当使用static修饰一个方法时,表明这个方法属于该类本身,即通过类就可调用该方法,但如果该方法被定义成抽象方法,则将导致通过该类来调用该方法时出现错误(调用了一个没有方法体的方法肯定会引起错误)。因此static和abstract不能同时修饰某个方法,即没有所谓的类抽象方法。

5、abstract修饰的方法没有方法体,必须被之类重写才有意义,所以抽象方法不能用private修饰,也就是private和abstract不能同时使用。

抽象类的作用:

  • 从前面的示例程序可以看出,抽象类不能创建实例,只能当成父类来被继承。从语义的角度来看,抽象类是从多个具体类中抽象出来的父类,它具有更高层次的抽象。从多个具有相同特征的类中抽象出一个抽象类,以这个抽象类作为其子类的模板,从而避免了子类设计的随意性。
  • 抽象类体现的就是一种模板模式的设计,抽象类作为多个子类的通用模板,子类在抽象类的基础上进行扩展、改造,但子类总体上会大致保留抽象类的行为方式。
  • 如果编写一个抽象父类,父类提供了多个子类的通用方法,并把一个或多个方法留给其子类实现,这就是一种模板模式,模板模式也是十分常见且简单的设计模式之一。例如前面介绍的 Shape、Triangle类,已经使用了模板模式。

2、接口

抽象类是从多个类中抽象出来的模板,如果将这种抽象进行得更彻底,则可以提炼出一种更加特殊的“抽象类”——接口(interface)。Java9对接口进行了改进,允许在接口中定义默认方法和类方法,默认方法和类方法都可以提供方法实现,Java9为接口增加了一种私有方法,私有方法也可提供方法实

定义:

和类定义的不同,定义接口不再使用class关键字,而是使用interface关键字。接口的基本语法如下:

[修饰符] interface 接口名称 extends 父接口1 父接口2 ....

{

  零到多个常量定义...

  零到多个抽象方法定义...

  零到多个内部类,接口,枚举定义...

  零到多个私有方法,默认方法或者类方法定义...

}
  1. 修饰符可以是public或者省略,如果省略了public访问控制符,则默认采用包权限访问控制符,即只有在相同包结构下才可以访问该接口。
  2. 接口名应与类名采用相同的命名规则,即如果仅从语法角度来看,接口名只要是合法的标识符即可;如果要遵守Java可读性规范,则接口名应由多个有意义的单词连缀而成,每个单词首字母大写,单词与单词之间无须任何分隔符。接口名通常能够使用形容词。
  3. 一个接口可以有多个直接父接口,但接口只能继承接口,不能继承类。
  4. 接口中可以包含成员变量(只能是静态常量),方法(只能是抽象实例方法、类方法、默认方法或私有方法),内部类(包括内部接口,枚举)定义
  5. 接口中定义的常量系统会自动为常量加上static和final两个修饰符
  6. 接口中定义的方法只能是抽象实例方法、类方法、默认方法或私有方法,如果定义的不是类方法,默认方法和私有方法,系统将自动为普通方法增加abstract修饰符,接口中的普通方法总是用public abstract来修饰,但类方法,默认方法,私有方法都必须有方法体实现。

下面来看一个具体的接口:

public interface Output {
	
	//接口中定义的成员变量只能是常量
	int MAX_CACHE_LINE=50;
	
	//接口中定义的普通方法只能是public abstract抽象方法
	void out();
	
	//在接口中定义默认方法,需要用default修饰	
	default void print(String...msg) {
		for (String str : msg) {
			System.out.println(str);
		}
	}
	
	//在接口中定义类方法,需要使用static修饰
	static String staticTest() {
		return "接口中的类方法";
	}
	
	//定义私有方法
	private void foo() {
		System.out.println("接口中的私有方法");
	}
	
	//定义私有静态方法
	private static void bar() {
		System.out.println("bar私有静态方法");
	}

}

接口的继承:

接口的继承和类继承不一样,接口完全支持多继承,即一个接口可以有多个直接父接口。和类继承相似,子接口扩展某个父接口,将会获得父接口里定义的所有抽象方法、常量。

一个接口继承多个父接口时,多个父接口排在extends关键字之后,多个父接口之间以英文逗号(,)隔开。下面程序定义了三个接口,第三个接口继承了前面两个接口。

interface InterfaceA{
	int PROP_A=5;
	void testA();
}

interface InterfaceB{
	int PROP_B=6;
	void testB();
}

interface InterfaceC extends InterfaceA,InterfaceB{
	int PROP_C=7;
	void testC();
}

public class InterfaceExtendsTest {
	
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(InterfaceC.PROP_A);
		System.out.println(InterfaceC.PROP_B);
		System.out.println(InterfaceC.PROP_C);
	}

}

使用接口:

接口不能用于创建实例,但接口可以用于声明引用类型变量。当使用接口来声明引用类型变量时,这个引用类型变量必须引用到其实现类的对象。除此之外,接口的主要用途就是被实现类实现。归纳起来,接口主要有如下用途。

  1. 定义变量,也可用于进行强制类型转化
  2. 调用接口中定义的常量
  3. 被其他类实现

一个类可是实现多个接口,用关键字implements实现,类实现接口的语法格式如下:

[修饰符] class 类名 extends 父类 implements 接口1,接口2...{

  类体部分

}

注意:类实现接口时必须要实现接口中所有的抽象方法

interface interfaceA{
	void printA();
}

interface interfaceB{
	void printB();
}

public class ImplmentsTest implements interfaceA,interfaceB {

	@Override
	public void printB() {
		System.out.println("printB");
	}

	@Override
	public void printA() {
		System.out.println("printA");
	}

}

上述代码的ImplmentsTest实现了两个接口,并重写了其中的抽象方法

接口和抽象类的区别:

相同点:

  • 接口和抽象类都不能被实例化,它们都位于继承树的顶端,用于被其他类实现和继承。
  • 接口和抽象类都可以包含抽象方法,实现接口或继承抽象类的普通子类都必须实现这些抽象方法。

不同点:

  • 接口里只能包含抽象方法、静态方法、默认方法和私有方法,不能为普通方法提供方法实现;抽象类则完全可以包含普通方法。
  • 接口里只能定义静态常量,不能定义普通成员变量;抽象类里则既可以定义普通成员变量,也可以定义静态常量。
  • 接口里不包含构造器;抽象类里可以包含构造器,抽象类里的构造器并不是用于创建对象,而是让其子类调用这些构造器来完成属于抽象类的初始化操作。
  • 接口里不能包含初始化块;但抽象类则完全可以包含初始化块。
  • 一个类最多只能有一个直接父类,包括抽象类;但一个类可以直接实现多个接口,通过实现多个接口可以弥补Java单继承的不足。

接口和抽象类10大面试题:

1. Java抽象类可以有构造函数吗?

可以有,抽象类可以声明并定义构造函数。因为你不可以创建抽象类的实例,所以构造函数只能通过构造函数链调用(Java中构造函数链指的是从其他构造函数调用一个构造函数),例如,当你创建具体的实现类。现在一些面试官问,如果你不能对抽象类实例化那么构造函数的作用是什么?好吧,它可以用来初始化抽象类内部声明的通用变量,并被各种实现使用。另外,即使你没有提供任何构造函数,编译器将为抽象类添加默认的无参数的构造函数,没有的话你的子类将无法编译,因为在任何构造函数中的第一条语句隐式调用super(),Java中默认超类的构造函数。

2. Java抽象类可以实现接口吗?它们需要实现所有的方法吗?

可以,抽象类可以通过使用关键字implements来实现接口。因为它们是抽象的,所以它们不需要实现所有的方法。好的做法是,提供一个抽象基类以及一个接口来声明类型 。这样的例子是,java.util.List接口和相应的java.util.AbstractList抽象类。因为AbstractList实现了所有的通用方法,具体的实现像LinkedList和ArrayList不受实现所有方法的负担,它们可以直接实现List接口。这对两方面都很好,你可以利用接口声明类型的优点和抽象类的灵活性在一个地方实现共同的行为。Effective Java有个很好的章节,介绍如何使用Java的抽象类和接口,值得阅读。

3. Java抽象类可以是final的吗?

不可以,Java抽象类不能是final的。将它们声明为final的将会阻止它们被继承,而这正是使用抽象类唯一的方法。它们也是彼此相反的,关键字abstract强制继承类,而关键字final阻止类被扩张。在现实世界中,抽象表示不完备性,而final是用来证明完整性。底线是,你不能让你的Java类既abstract又final,同时使用,是一个编译时错误。

4. Java抽象类可以有static方法吗?

可以,抽象类可以声明并定义static方法。但是,你必须遵守Java中将方法声明为static的准则,因为在面向对象的设计中是不受欢迎的,因为Java中的static方法是不可以被重载的。在抽象类中看到static方法是罕见的,但正如我所说的,如果你有很好的理由这样做的话,那没有什么可以阻止你。

5. 可以创建抽象类的实例吗?

不可以,你不能创建Java抽象类的实例,它们是不完全的。即使你的抽象类不包含任何抽象方法,你也不能对它实例化。将类声明为abstract的,就等你你告诉编译器,它是不完全的不应该被实例化。当一段代码尝试实例化一个抽象类时Java编译器会抛错误。

6. 抽象类必须有抽象方法吗?

不需要,抽象类有抽象方法不是强制性的。你只需要使用关键字abstract就可以将类声明为抽象类。编译器会强制所有结构的限制来适用于抽象类,例如,现在允许创建一些实例。是否在抽象类中有抽象方法是引起争论的。我的观点是,抽象类应该有抽象方法,因为这是当程序员看到那个类并做假设的第一件事。这也符合最小惊奇原则。

7. Java抽象类和接口有何不同?

这是最重要的经典Java面试题之一。我已经记不清多少次看到这个问题了。这个问题有趣的原因是可以举出例子。很容易回答核心OOPS的概念,如抽象,封装,多态和继承,但是,当涉及到微妙点就是这样,候选人往往失手。你可以从本文看出抽象类和接口之间的所有语法的差异。

8. 何时选用抽象类而不是接口?

这是对之前抽象类和接口对比问题的后续。如果你知道语法差异,你可以很容易回答这个问题,因为它们可以令你做出抉择。当关心升级时,因为不可能在一个发布的接口中添加一个新方法,用抽象类会更好。类似地,如果你的接口中有很多方法,你对它们的实现感到很头疼,考虑提供一个抽象类作为默认实现。这是Java集合包中的模式,你可以使用提供默认实现List接口的AbstractList。

9. Java中的抽象方法是什么?

抽象方法是一个没有方法体的方法。你仅需要声明一个方法,不需要定义它并使用关键字abstract声明。Java接口中所有方法的声明默认是abstract的。这是抽象方法的例子

public void abstract printVersion();

现在,为了实现这个方法,你需要继承该抽象类并重载这个方法。

10. Java抽象类中可以包含main方法吗?

是的,抽象类可以包含main方法,它只是一个静态方法,你可以使用main方法执行抽象类,但不可以创建任何实例。

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