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<audio id="audio" title="08 | 理论五：接口vs抽象类的区别？如何用普通的类模拟抽象类和接口？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/f9/a7/f9e4a9f08f84083c4b03f5420a7a9ba7.mp3"></audio>
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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。
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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，比如，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，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，我们仍然可以通过一些手段来模拟实现这两个语法概念。
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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。
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你可以先试着回答一下，刚刚我提出的几个问题。如果你对某些问题还有些模糊不清，那也没关系，今天，我会带你把这几个问题彻底搞清楚。下面我们就一起来看！
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## 什么是抽象类和接口？区别在哪里？
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不同的编程语言对接口和抽象类的定义方式可能有些差别，但差别并不会很大。Java这种编程语言，既支持抽象类，也支持接口，所以，为了让你对这两个语法概念有比较直观的认识，我们拿Java这种编程语言来举例讲解。
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**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。**
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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。
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```
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// 抽象类
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public abstract class Logger {
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private String name;
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private boolean enabled;
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private Level minPermittedLevel;
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public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {
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this.name = name;
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this.enabled = enabled;
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this.minPermittedLevel = minPermittedLevel;
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}
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public void log(Level level, String message) {
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boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
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if (!loggable) return;
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doLog(level, message);
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}
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protected abstract void doLog(Level level, String message);
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}
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// 抽象类的子类：输出日志到文件
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public class FileLogger extends Logger {
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private Writer fileWriter;
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public FileLogger(String name, boolean enabled,
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Level minPermittedLevel, String filepath) {
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super(name, enabled, minPermittedLevel);
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this.fileWriter = new FileWriter(filepath);
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}
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@Override
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public void doLog(Level level, String mesage) {
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// 格式化level和message,输出到日志文件
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fileWriter.write(...);
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}
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}
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// 抽象类的子类: 输出日志到消息中间件(比如kafka)
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public class MessageQueueLogger extends Logger {
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private MessageQueueClient msgQueueClient;
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public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,
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Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {
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super(name, enabled, minPermittedLevel);
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||||
this.msgQueueClient = msgQueueClient;
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}
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@Override
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protected void doLog(Level level, String mesage) {
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// 格式化level和message,输出到消息中间件
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msgQueueClient.send(...);
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}
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}
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```
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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。
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- 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）。
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- 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。
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- 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。
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**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。**
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```
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// 接口
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public interface Filter {
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void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException;
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}
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// 接口实现类：鉴权过滤器
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public class AuthencationFilter implements Filter {
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@Override
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public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
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//...鉴权逻辑..
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}
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}
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// 接口实现类：限流过滤器
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||||
public class RateLimitFilter implements Filter {
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||||
@Override
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||||
public void doFilter(RpcRequest req) throws RpcException {
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||||
//...限流逻辑...
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||||
}
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}
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// 过滤器使用Demo
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public class Application {
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// filters.add(new AuthencationFilter());
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// filters.add(new RateLimitFilter());
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private List<Filter> filters = new ArrayList<>();
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public void handleRpcRequest(RpcRequest req) {
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try {
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for (Filter filter : filters) {
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filter.doFilter(req);
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}
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} catch(RpcException e) {
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// ...处理过滤结果...
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}
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// ...省略其他处理逻辑...
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}
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}
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```
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上面这段代码是一个比较典型的接口的使用场景。我们通过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。
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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。
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- 接口不能包含属性（也就是成员变量）。
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- 接口只能声明方法，方法不能包含代码实现。
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- 类实现接口的时候，必须实现接口中声明的所有方法。
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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。
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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）。
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## 抽象类和接口能解决什么编程问题？
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刚刚我们学习了抽象类和接口的定义和区别，现在我们再来学习一下，抽象类和接口存在的意义，让你知其然知其所以然。
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**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？**
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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。
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不过，既然继承本身就能达到代码复用的目的，而继承也并不要求父类一定是抽象类，那我们不使用抽象类，照样也可以实现继承和复用。从这个角度上来讲，我们貌似并不需要抽象类这种语法呀。那抽象类除了解决代码复用的问题，还有什么其他存在的意义吗？
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我们还是拿之前那个打印日志的例子来讲解。我们先对上面的代码做下改造。在改造之后的代码中，Logger不再是抽象类，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还是继承Logger父类，以达到代码复用的目的。具体的代码如下：
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```
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// 父类：非抽象类，就是普通的类. 删除了log(),doLog()，新增了isLoggable().
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public class Logger {
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private String name;
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private boolean enabled;
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private Level minPermittedLevel;
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public Logger(String name, boolean enabled, Level minPermittedLevel) {
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||||
//...构造函数不变，代码省略...
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}
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protected boolean isLoggable() {
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boolean loggable = enabled && (minPermittedLevel.intValue() <= level.intValue());
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return loggable;
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}
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}
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// 子类：输出日志到文件
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public class FileLogger extends Logger {
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private Writer fileWriter;
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public FileLogger(String name, boolean enabled,
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||||
Level minPermittedLevel, String filepath) {
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||||
//...构造函数不变，代码省略...
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||||
}
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public void log(Level level, String mesage) {
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if (!isLoggable()) return;
|
||||
// 格式化level和message,输出到日志文件
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fileWriter.write(...);
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}
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}
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// 子类: 输出日志到消息中间件(比如kafka)
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public class MessageQueueLogger extends Logger {
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||||
private MessageQueueClient msgQueueClient;
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||||
public MessageQueueLogger(String name, boolean enabled,
|
||||
Level minPermittedLevel, MessageQueueClient msgQueueClient) {
|
||||
//...构造函数不变，代码省略...
|
||||
}
|
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public void log(Level level, String mesage) {
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||||
if (!isLoggable()) return;
|
||||
// 格式化level和message,输出到消息中间件
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||||
msgQueueClient.send(...);
|
||||
}
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}
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```
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这个设计思路虽然达到了代码复用的目的，但是无法使用多态特性了。像下面这样编写代码，就会出现编译错误，因为Logger中并没有定义log()方法。
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```
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Logger logger = new FileLogger("access-log", true, Level.WARN, "/users/wangzheng/access.log");
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logger.log(Level.ERROR, "This is a test log message.");
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```
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你可能会说，这个问题解决起来很简单啊。我们在Logger父类中，定义一个空的log()方法，让子类重写父类的log()方法，实现自己的记录日志的逻辑，不就可以了吗？
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```
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public class Logger {
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// ...省略部分代码...
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public void log(Level level, String mesage) { // do nothing... }
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}
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public class FileLogger extends Logger {
|
||||
// ...省略部分代码...
|
||||
@Override
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||||
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(...);
|
||||
}
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||||
}
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```
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这个设计思路能用，但是，它显然没有之前通过抽象类的实现思路优雅。我为什么这么说呢？主要有以下几点原因。
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- 在Logger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背后的设计思想，代码注释又不怎么给力，我们在阅读Logger代码的时候，就可能对为什么定义一个空的log()方法而感到疑惑，需要查看Logger、FileLogger、MessageQueueLogger之间的继承关系，才能弄明白其设计意图。
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- 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。
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- Logger可以被实例化，换句话说，我们可以new一个Logger出来，并且调用空的log()方法。这也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，显然没有通过抽象类来的优雅。
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**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？**
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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。
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实际上，接口是一个比抽象类应用更加广泛、更加重要的知识点。比如，我们经常提到的“基于接口而非实现编程”，就是一条几乎天天会用到，并且能极大地提高代码的灵活性、扩展性的设计思想。关于接口这个知识点，我会单独再用一节课的时间，更加详细全面的讲解，这里就不展开了。
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## 如何模拟抽象类和接口两个语法概念？
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在前面举的例子中，我们使用Java的接口语法实现了一个Filter过滤器。不过，如果你熟悉的是C++这种编程语言，你可能会说，C++只有抽象类，并没有接口，那从代码实现的角度上来说，是不是就无法实现Filter的设计思路了呢？
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实际上，我们可以通过抽象类来模拟接口。怎么来模拟呢？这是一个不错的面试题，你可以先思考一下，然后再来看我的讲解。
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我们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所有方法。只要满足这样几点，从设计的角度上来说，我们就可以把它叫作接口。实际上，要满足接口的这些语法特性并不难。在下面这段C++代码中，我们就用抽象类模拟了一个接口（下面这段代码实际上是策略模式中的一段代码）。
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```
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class Strategy { // 用抽象类模拟接口
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public:
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~Strategy();
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virtual void algorithm()=0;
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protected:
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Strategy();
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};
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抽象类Strategy没有定义任何属性，并且所有的方法都声明为virtual类型（等同于Java中的abstract关键字），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。
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不过，如果你熟悉的既不是Java，也不是C++，而是现在比较流行的动态编程语言，比如Python、Ruby等，你可能还会有疑问：在这些动态语言中，不仅没有接口的概念，也没有类似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之外，我们还可以用普通类来模拟接口。具体的Java代码实现如下所示。
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public class MockInteface {
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protected MockInteface() {}
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public void funcA() {
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throw new MethodUnSupportedException();
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}
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}
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我们知道类中的方法必须包含实现，这个不符合接口的定义。但是，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，否则就会在运行时抛出异常。我们将构造函数设置成protected属性的，这样就能避免非同包下的类去实例化MockInterface。不过，这样还是无法避免同包中的类去实例化MockInterface。为了解决这个问题，我们可以学习Google Guava中@VisibleForTesting注解的做法，自定义一个注解，人为表明不可实例化。
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刚刚我们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，那如何用普通类来模拟抽象类呢？这个问题留给你自己思考，你可以留言说说你的实现方法。
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实际上，对于动态编程语言来说，还有一种对接口支持的策略，那就是duck-typing。我们在上一节课中讲到多态的时候也有讲过，你可以再回忆一下。
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## 如何决定该用抽象类还是接口？
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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？
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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。
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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。
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## 重点回顾
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好了，今天内容就讲完了，我们一块来总结回顾一下，你需要掌握的重点内容。
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**1.抽象类和接口的语法特性**
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抽象类不允许被实例化，只能被继承。它可以包含属性和方法。方法既可以包含代码实现，也可以不包含代码实现。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。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所有方法。
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**2.抽象类和接口存在的意义**
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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，表示具有某一组行为特性，是为了解决解耦问题，隔离接口和具体的实现，提高代码的扩展性。
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**3.抽象类和接口的应用场景区别**
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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。如果要表示一种is-a的关系，并且是为了解决代码复用问题，我们就用抽象类；如果要表示一种has-a关系，并且是为了解决抽象而非代码复用问题，那我们就用接口。
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## 课堂讨论
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1. 你熟悉的编程语言，是否有现成的语法支持接口和抽象类呢？具体是如何定义的呢？
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1. 前面我们提到，接口和抽象类是两个经常在面试中被问到的概念。学习完今天的内容之后，你是否对抽象类和接口有一个新的认识呢？如果面试官再让你聊聊接口和抽象类，你会如何回答呢？
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欢迎在留言区写下你的答案，和同学一起交流和分享。如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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