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Java 是非常典型的面向对象语言,曾经有一段时间,程序员整天把面向对象、设计模式挂在嘴边。虽然如今大家对这方面已经不再那么狂热,但是不可否认,掌握面向对象设计原则和技巧,是保证高质量代码的基础之一。 面向对象提供的基本机制,对于提高开发、沟通等各方面效率至关重要。考察面向对象也是面试中的常见一环,下面我来聊聊**面向对象设计基础**。 今天我要问你的问题是,谈谈接口和抽象类有什么区别? ## 典型回答 接口和抽象类是 Java 面向对象设计的两个基础机制。 接口是对行为的抽象,它是抽象方法的集合,利用接口可以达到 API 定义和实现分离的目的。接口,不能实例化;不能包含任何非常量成员,任何 field 都是隐含着 public static final 的意义;同时,没有非静态方法实现,也就是说要么是抽象方法,要么是静态方法。Java 标准类库中,定义了非常多的接口,比如 java.util.List。 抽象类是不能实例化的类,用 abstract 关键字修饰 class,其目的主要是代码重用。除了不能实例化,形式上和一般的 Java 类并没有太大区别,可以有一个或者多个抽象方法,也可以没有抽象方法。抽象类大多用于抽取相关 Java 类的共用方法实现或者是共同成员变量,然后通过继承的方式达到代码复用的目的。Java 标准库中,比如 collection 框架,很多通用部分就被抽取成为抽象类,例如 java.util.AbstractList。 Java 类实现 interface 使用 implements 关键词,继承 abstract class 则是使用 extends 关键词,我们可以参考 Java 标准库中的 ArrayList。 ~~~ public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { //... } ~~~ ## 考点分析 这是个非常高频的 Java 面向对象基础问题,看起来非常简单的问题,如果面试官稍微深入一些,你会发现很多有意思的地方,可以从不同角度全面地考察你对基本机制的理解和掌握。比如: * 对于 Java 的基本元素的语法是否理解准确。能否定义出语法基本正确的接口、抽象类或者相关继承实现,涉及重载(Overload)、重写(Override)更是有各种不同的题目。 * 在软件设计开发中妥善地使用接口和抽象类。你至少知道典型应用场景,掌握基础类库重要接口的使用;掌握设计方法,能够在 review 代码的时候看出明显的不利于未来维护的设计。 * 掌握 Java 语言特性演进。现在非常多的框架已经是基于 Java 8,并逐渐支持更新版本,掌握相关语法,理解设计目的是很有必要的。 ## 知识扩展 我会从接口、抽象类的一些实践,以及语言变化方面去阐述一些扩展知识点。 Java 相比于其他面向对象语言,如 C++,设计上有一些基本区别,比如**Java 不支持多继承**。这种限制,在规范了代码实现的同时,也产生了一些局限性,影响着程序设计结构。Java 类可以实现多个接口,因为接口是抽象方法的集合,所以这是声明性的,但不能通过扩展多个抽象类来重用逻辑。 在一些情况下存在特定场景,需要抽象出与具体实现、实例化无关的通用逻辑,或者纯调用关系的逻辑,但是使用传统的抽象类会陷入到单继承的窘境。以往常见的做法是,实现由静态方法组成的工具类(Utils),比如 java.util.Collections。 设想,为接口添加任何抽象方法,相应的所有实现了这个接口的类,也必须实现新增方法,否则会出现编译错误。对于抽象类,如果我们添加非抽象方法,其子类只会享受到能力扩展,而不用担心编译出问题。 接口的职责也不仅仅限于抽象方法的集合,其实有各种不同的实践。有一类没有任何方法的接口,通常叫作 Marker Interface,顾名思义,它的目的就是为了声明某些东西,比如我们熟知的 Cloneable、Serializable 等。这种用法,也存在于业界其他的 Java 产品代码中。 从表面看,这似乎和 Annotation 异曲同工,也确实如此,它的好处是简单直接。对于 Annotation,因为可以指定参数和值,在表达能力上要更强大一些,所以更多人选择使用 Annotation。 Java 8 增加了函数式编程的支持,所以又增加了一类定义,即所谓 functional interface,简单说就是只有一个抽象方法的接口,通常建议使用 @FunctionalInterface Annotation 来标记。Lambda 表达式本身可以看作是一类 functional interface,某种程度上这和面向对象可以算是两码事。我们熟知的 Runnable、Callable 之类,都是 functional interface,这里不再多介绍了,有兴趣你可以参考:[https://www.oreilly.com/learning/java-8-functional-interfaces](https://www.oreilly.com/learning/java-8-functional-interfaces)。 还有一点可能让人感到意外,严格说,**Java 8 以后,接口也是可以有方法实现的!** 从 Java 8 开始,interface 增加了对 default method 的支持。Java 9 以后,甚至可以定义 private default method。Default method 提供了一种二进制兼容的扩展已有接口的办法。比如,我们熟知的 java.util.Collection,它是 collection 体系的 root interface,在 Java 8 中添加了一系列 default method,主要是增加 Lambda、Stream 相关的功能。我在专栏前面提到的类似 Collections 之类的工具类,很多方法都适合作为 default method 实现在基础接口里面。 你可以参考下面代码片段: ~~~ public interface Collection<E> extends Iterable<E> { /** * Returns a sequential Stream with this collection as its source * ... **/ default Stream<E> stream() { return StreamSupport.stream(spliterator(), false); } } ~~~ **面向对象设计** 谈到面向对象,很多人就会想起设计模式,那些是非常经典的问题和设计方法的总结。我今天来夯实一下基础,先来聊聊面向对象设计的基本方面。 我们一定要清楚面向对象的基本要素:封装、继承、多态。 **封装**的目的是隐藏事务内部的实现细节,以便提高安全性和简化编程。封装提供了合理的边界,避免外部调用者接触到内部的细节。我们在日常开发中,因为无意间暴露了细节导致的难缠 bug 太多了,比如在多线程环境暴露内部状态,导致的并发修改问题。从另外一个角度看,封装这种隐藏,也提供了简化的界面,避免太多无意义的细节浪费调用者的精力。 **继承**是代码复用的基础机制,类似于我们对于马、白马、黑马的归纳总结。但要注意,继承可以看作是非常紧耦合的一种关系,父类代码修改,子类行为也会变动。在实践中,过度滥用继承,可能会起到反效果。 **多态**,你可能立即会想到重写(override)和重载(overload)、向上转型。简单说,重写是父子类中相同名字和参数的方法,不同的实现;重载则是相同名字的方法,但是不同的参数,本质上这些方法签名是不一样的,为了更好说明,请参考下面的样例代码: ~~~ public int doSomething() { return 0; } // 输入参数不同,意味着方法签名不同,重载的体现 public int doSomething(List<String> strs) { return 0; } // return 类型不一样,编译不能通过 public short doSomething() { return 0; } ~~~ 这里你可以思考一个小问题,方法名称和参数一致,但是返回值不同,这种情况在 Java 代码中算是有效的重载吗? 答案是不是的,编译都会出错的。 进行面向对象编程,掌握基本的设计原则是必须的,我今天介绍最通用的部分,也就是所谓的 S.O.L.I.D 原则。 * 单一职责(Single Responsibility),类或者对象最好是只有单一职责,在程序设计中如果发现某个类承担着多种义务,可以考虑进行拆分。 * 开关原则(Open-Close, Open for extension, close for modification),设计要对扩展开放,对修改关闭。换句话说,程序设计应保证平滑的扩展性,尽量避免因为新增同类功能而修改已有实现,这样可以少产出些回归(regression)问题。 * 里氏替换(Liskov Substitution),这是面向对象的基本要素之一,进行继承关系抽象时,凡是可以用父类或者基类的地方,都可以用子类替换。 * 接口分离(Interface Segregation),我们在进行类和接口设计时,如果在一个接口里定义了太多方法,其子类很可能面临两难,就是只有部分方法对它是有意义的,这就破坏了程序的内聚性。 对于这种情况,可以通过拆分成功能单一的多个接口,将行为进行解耦。在未来维护中,如果某个接口设计有变,不会对使用其他接口的子类构成影响。 * 依赖反转(Dependency Inversion),实体应该依赖于抽象而不是实现。也就是说高层次模块,不应该依赖于低层次模块,而是应该基于抽象。实践这一原则是保证产品代码之间适当耦合度的法宝。 **OOP 原则实践中的取舍** 值得注意的是,现代语言的发展,很多时候并不是完全遵守前面的原则的,比如,Java 10 中引入了本地方法类型推断和 var 类型。按照,里氏替换原则,我们通常这样定义变量: ~~~ List<String> list = new ArrayList<>(); ~~~ 如果使用 var 类型,可以简化为 ~~~ var list = new ArrayList<String>(); ~~~ 但是,list 实际会被推断为“ArrayList ” ~~~ ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(); ~~~ 理论上,这种语法上的便利,其实是增强了程序对实现的依赖,但是微小的类型泄漏却带来了书写的便利和代码可读性的提高,所以,实践中我们还是要按照得失利弊进行选择,而不是一味得遵循原则。 **OOP 原则在面试题目中的分析** 我在以往面试中发现,即使是有多年编程经验的工程师,也还没有真正掌握面向对象设计的基本的原则,如开关原则(Open-Close)。看看下面这段代码,改编自朋友圈盛传的某伟大公司产品代码,你觉得可以利用面向对象设计原则如何改进? ~~~ public class VIPCenter { void serviceVIP(T extend User user>) { if (user instanceof SlumDogVIP) { // 穷 X VIP,活动抢的那种 // do somthing } else if(user instanceof RealVIP) { // do somthing } // ... } ~~~ 这段代码的一个问题是,业务逻辑集中在一起,当出现新的用户类型时,比如,大数据发现了我们是肥羊,需要去收获一下, 这就需要直接去修改服务方法代码实现,这可能会意外影响不相关的某个用户类型逻辑。 利用开关原则,我们可以尝试改造为下面的代码: ~~~ public class VIPCenter { private Map<User.TYPE, ServiceProvider> providers; void serviceVIP(T extend User user) { providers.get(user.getType()).service(user); } } interface ServiceProvider{ void service(T extend User user) ; } class SlumDogVIPServiceProvider implements ServiceProvider{ void service(T extend User user){ // do somthing } } class RealVIPServiceProvider implements ServiceProvider{ void service(T extend User user) { // do something } } ~~~ 上面的示例,将不同对象分类的服务方法进行抽象,把业务逻辑的紧耦合关系拆开,实现代码的隔离保证了方便的扩展。 今天我对 Java 面向对象技术进行了梳理,对比了抽象类和接口,分析了 Java 语言在接口层面的演进和相应程序设计实现,最后回顾并实践了面向对象设计的基本原则,希望对你有所帮助。 ## 一课一练 关于接口和抽象类的区别,你做到心中有数了吗?给你布置一个思考题,思考一下自己的产品代码,有没有什么地方违反了基本设计原则?那些一改就崩的代码,是否遵循了开关原则?