接口和抽象类:如何使用普通类模拟接口和抽象类

1.引言

在面向对象编程中，抽象类和接口是两个经常被提及的语法概念，也是面向对象编程的四大特性，以及很多设计模式和设计原则编程实现的基础。例如，我们可以使用接口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，使用抽象类实现面向对象的继承特性和模板设计模式，等等。

不过，并不是所有的面向对象编程语言都支持这两个语法概念，如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，又不支持接口。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，但是我们仍然可以通过一些手段模拟实现这两个语法概念。

这两个语法概念不但在工作中经常会被用到，而且在面试中经常被提及。接口和抽象类的区别是什么?什么时候使用接口?什么时候使用抽象类?抽象类和接口存在的意义是什么?通过阅读本节内容，相信读者可以从中找到答案。

2.抽象类和接口的定义与区别

不同的编程语言对接口和抽象类的定义方式可能有差别，但差别并不会很大。因为Java既支持抽象类，又支持接口，所以我们使用Java进行举例讲解，以便读者对这两个有直观的认识。

首先，我们看一下如何在 Java 中定义抽象类。

下面这段代码是一个典型的抽象类使用场景(模板设计模式)。Logger 是一个记录日志抽象类，FileLogger 类和 MessageQueueLogger 类继承 Logger 类，分别实现不同的日志记式:将日志输出到文件中和将日志输出到消息队列中。FileLogger和MessageQueueLogger 两个子类复用了父类 Logger 中的 name、enabled、minPermittedLevel 属性，以及log()方法,因为这两个子类输出日志的方式不同，所以它们又各自重写了父类中的 doLog()方法。

public abstract class Logger{
    private String name;
    private boolean enabled;
    private evel 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.intValve());
        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.Ievel minPermittedLevel,String filepath)
    {
       super(name,enabled,minPermittedLevel);
       this.fileWriter = new FileWriter(filepath);
    }

    @0verride
    public void doLog(Level level,string mesage){
            //格式化leve1和message，并输出到日志文件
            fileWriter.write(...);
    }
}

//抽象类的子类:输出日志到消息中间件(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1evel和message，并输出到消息中间件
        msgQueueClient.send(...);
    }
}

结合上述示例，我们总结了下列抽象类的特点:

1)抽象类不允许被实例化，只能被继承。也就是说，我们不能通过关键字 new定义一个

抽象类的对象(编写“Logger logger=new Logger(..);”语句会报编译错误)。

2)抽象类可以包含属性和方法。方法可以包含代码实现(如Logger类中的log()方法)也可以不包含代码实现(如Logger 类中的 doLog()方法)。不包含代码实现的方法称为抽象方法。

3)子类继承抽象类时，必须实现抽象类中的所有抽象方法。对应到示例代码中，所有继承Logger 抽象类的子类都必须重写 doLog()方法。

上面是对抽象类的定义。接下来，我们看一下如何在Java 中定义接口。我们还是先看一段示例代码。

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 {
        //省略鉴权逻辑...
    }
}

//接口实现类:限流过滤器
public class RatelimitFilter implements Filter {
    @Override
    public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
        //...省略限流逻辑
    }
}

//过滤器使用示例
public class Application {
    private list<Filter> filters = new ArrayList<>();

    public Application(){
        filters.add(new AuthencationFilter());
        filters.add(new RatelimitFilter());

        public void handleRpcRequest(RpcRequest req){
            try{
                for(Filter filter : filters ){
                    filter.doFilter(req);
                }
            }catch(RpcException e){
                //..省略处理过滤结果.
            }
        }
        //..省略其他处理逻辑.
    }
}

上述代码是一个典型的接口使用场景。通过Java 中的 interface 关键字，我们定义了一个Filter 接口。AuthencationFilter 和RateLimitFiliter是接口的两个实现类，分别实现了对RPC求鉴权和限流。结合上述代码，我们总结了下列接口的特点:

1)接口不能包含属性(也就是成员变量)。

2)接口只能声明方法，方法不能包含代码实现。

3)类实现接口时，必须实现接口中声明的所有方法。

有些读者可能说，在Java 1.8版本之后，接口中的方法可以包含代码实现，并且接口可以包含静态成员变量。注意，这只不过是Java语言对接口定义的妥协，目的是方便使用。抛开Java 这一具体的编程语言，接口仍然具有上述3个特点。

在上文中，我们介绍了抽象类和接口的定义，以及各自的语法特性。从语法特性方面对比，抽象类和接口有较大的区别，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。除语法特性以外，从设计的角度对比，二者也有较大的区别。

抽象类也属于类，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关系，那么，抽象类既然属于类，也表示一种is-a关系。相比抽象类的is-a关系，接口表示一种has-a关系(或can-do关系、behave like 关系)，表示具有某些功能。因此，接口有一个形象的叫法:协议(contract)。

3.抽象类和接口存在的意义

在上面我们介绍了抽象类和接口的定义与区别，现在我们探讨一下抽象类和接口存在的意义，以便读者知其然，知其所以然。

为什么需要抽象类?它能够在编程中解决什么问题?在上面我们讲到，抽象类不能被实例化，只能被继承。之前，我们还讲过，继承能够解决代码复用问题。因此，抽象类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，这样可以避免在子类中重复编写相同的代码。

既然继承就能达到代码复用的目的，而维承并不要求父类必须是抽象类，那么，不使用抽象类照样可以实现继承和复用。从这个角度来看，抽象类语法似乎是多余的。那么，除解决代码复用问题以外，抽象类还有其他存在的意义吗?

我们还是结合之前打印日志的示例代码进行讲解。不过，我们需要先对之前的代码进行改造。在改造之后，Logger不再是独象类。万法一个普通类。另外，我们删除了Logger类中的log()、doLog()方法，新增了isLoggable()方法,FileLogger类和 MessageQueueLogger 类仍级继承 Logger 类。具体代码如下：

//父类：Logger, 非抽象类就是普通类，删除了log()和doLog()方法，新增了 isLoggeable()方法
public abstract class Logger{
    private String name;
    private boolean enabled;
    private evel minPermittedLevel;

    public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel){
        this.name = name;
        this.enabled = enabled;
        this.minPermittedLevel = minPermittedLevel;
    }

    protected boolean isLoggable(){
        boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue()<=level.intValve());
        return loggable;
    }
}

//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.Ievel minPermittedLevel,String filepath)
    {
       super(name,enabled,minPermittedLevel);
       this.fileWriter = new FileWriter(filepath);
    }

    @0verride
    public void log(Level level,string mesage){
        if (!isLoggable())
            return;
        fileWriter.write(...);
    }
}

//抽象类的子类:输出日志到消息中间件(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
    public void log(Level level,string mesage){
        if (!isLoggable())
            return;
        msgQueueClient.send(...);
    }
}

虽然上面这段代码的设计思路达到了代码复用的目的，但是无法使用多态特性。如果我们像下面这样编写代码，就会出现编译错误，因为Logger类中并没有定义log()方法。

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

读者可能会说，这个问题的解决很简单，在Logger类中，定义一个空的log()方法，让子类重写 Logger类的log()方法，并实现自己的日志输出逻辑，不就可以了吗?代码如下所示。

Public class Logger{
    //...省略部分代码...
    Public void log(Level level，string mesage){ //方法体为空}
}

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1evel和message，并输出到日志文件
        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1evel和message，并输出到消息中间件
       msgQueueClient.send(...);
    }
}

虽然上面这段代码的设计思路可用，能够解决问题，但是，它显然没有之前基于抽象*。设计思路优雅，理由如下。

1)在Logger类中，定义一个空的方法，会影响代码的可读性。如果我们不熟悉Logger类背后的设计思想，加之代码的注释不详细，那么，在阅读Logger类的代码时，有可解生为什么定义一个空的log()方法的疑问。或许，我们需要通过查看Logger、FileLogger和MessageQueueLogger 之间的继承关系，才能明白其背后的设计意图。

2)当创建一个新的子类并继承Logger类时，我们很有可能忘记重新实现log()方法。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。读者可能会问，既然要定义一个新的Logger 类的子类，那么怎么会忘记重新实现 log()方法呢?其实，我们举的例子比较简单，Logger类中的方法不多，代码行数也很少。我们可以想象一下如果Logger类中有几百行代码，包含很多方法，除非我们对Logger类的设计非常熟悉，否则极有可能忘记重新实现log()方法。

3)Logger类可以被实例化，换句话说，我们可以通过关键字new定义一个Logger 类的对象，并且调用它的空的log()方法。这增加了类被误用的风险。当然，这个问题可以通过设置私有的构造函数的方式来解决。不过，这显然没有基于抽象类的实现思路优雅。为什么需要接口?它能够在编程中解决什么问题?抽象类侧重代码复用，而接口侧重解耦。接口是对行为的一种抽象，相当于一组协议或契约，读者可以类比API。调用者只需要关注抽象的接口，不需要了解具体的实现，具体的实对调用者透明。接口实现了约定和实现分离，可以降低代码的耦合度，提高代码的可扩展性。

4.模拟实现抽象类和接口

有些编程语言只有抽象类，并没有接口，如C++。我们可以通过抽象类模拟接口，只要它满足接口的特性(接口中没有成员变量，只有方法声明，没有实现方法，实现接口的类必须实现接口中的所有方法)即可。在下面这段C++代码中，我们使用抽象类模拟了一个接口。

class Strategy{
    //用抽象类模拟接口
    public:
        virtual ~Strategy();
        virtual void algorithm() = 0,

    protected:
        Strategy();
}

抽象类 Strategy 没有定义任何属性，并且所有的方法都声明为virual(等同于 Java中的abstract 关键字)类型，这样，所有的方法都不能有代码实现，并且所有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，这个抽象类就相当于一个接口。

不过，现在流行的动态编程语言，如Python、Ruby等，它们不但没有接口的概念，而且没有抽象类。在这种情况下，我们可以使用普通类模拟接口。具体的Java代码实现如下。

public class MockInterface{
    protected MockInterface();

    public void funcA(){
        throw new MethodUnSupportedException();
    }
}

我们知道，类中的方法必须包含实现，但这不符合接口的定义。其实，我们可以让类中的方法抛出 MethodUnSupportedException 异常来模拟不包含实现的接口，并且，在子类继承父类时，强迫子类主动实现父类的方法，否则会在运行时抛出异常。那么，如何避免这个类被实例化呢?我们只需要将构造函数设置成protected属性，这样就能避免非同一包(package)下的类去实例化 MockInterface。不过，这样做还是无法避免同一包下的类去实例化 MockInterface.为了解决这个问题，我们可以学习Google Guava中 @VisibleForTesting注解的做法，自定义个注解，人为地表明其不可实例化。

上面讲了如何用抽象类来模拟接口，以及如何用普通类来模拟接口，那么，如何用普通类来模拟抽象类呢?我们可以类比 MockInterface 类的处理方式，让本该为abstract的方法内部抛出MethodUnSupportedException异常，并且将构造函数设置为protected 属性，避免实例化。