接口和抽象类

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。

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。

什么是抽象类和接口？区别在哪里？

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 {
  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.fileWriter = 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(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;
  }
  
  @Override
  protected 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 log() 方法），也可以不包含代码实现（比如 Logger 中的 doLog() 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 doLog() 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
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 : filters) {
        filter.doFilter(req);
      }
    } catch(RpcException e) {
      // ...处理过滤结果...
    }
    // ...省略其他处理逻辑...
  }
}

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、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，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？

首先，我们来看一下，我们为什么需要抽象类？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

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 log() 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 log() 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 log() 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 log() 方法，也不是不可能的。

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。

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。