JAVA 接口、抽象类的关系和用处 详细解析

news2025/1/30 23:58:40

接口 - Java教程 - 廖雪峰的官方网站

一个 抽象类 如果实现了一个接口，可以只选择实现接口中的 部分方法（所有的方法都要有，可以一部分已经写具体，另一部分继续保留抽象），原因在于：

  • 抽象类本身是 不完整的类，它可以有未实现的方法（即抽象方法），因此可以选择不完全实现接口。
  • 由继承该抽象类的具体子类去完成未实现的方法。

这也是抽象类的一个强大功能，它在实现接口时，提供了一个“中间层次”，部分实现接口的行为，为具体的子类提供基础。

这里有两个箭头指向同一个类（例如 AbstractList），是因为：

  1. 接口（如 List）定义了行为规范：接口是用来定义类应该具有的功能和行为，例如 List 定义了与列表相关的方法（如 add(), get() 等），但不提供具体实现。
  2. 抽象类（如 AbstractList）提供了部分实现：抽象类用于实现接口的一部分行为，同时为具体类（如 ArrayList 和 LinkedList）提供可以复用的代码。

AbstractList 和 List 的区别

  • List 接口：

    • 是一个完全抽象的接口，只定义了列表操作的规范。
    • 方法如 add(E element), get(int index), remove(int index) 等都只是方法声明，没有实现。

  • AbstractList 抽象类：

    • 是一个抽象类，实现了 List 接口的大部分通用功能。
    • 目的是让具体实现类（如 ArrayList 和 LinkedList）复用这些功能，只需实现特定的方法即可。例如，AbstractList 中实现了 addAll()，具体类无需再写这部分代码。
示例代码

假设你要实现一个自定义的列表，直接实现 List 和继承 AbstractList 的区别如下：

直接实现 List 接口

如果从零实现 List 接口，你需要定义接口中所有的方法（包括很多通用方法，比如 size() 和 addAll()）。

import java.util.Collection;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.ListIterator;

public class CustomList<E> implements List<E> {
    private Object[] elements = new Object[10];
    private int size = 0;

    @Override
    public boolean add(E e) {
        if (size == elements.length) {
            Object[] newElements = new Object[size * 2];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, size);
            elements = newElements;
        }
        elements[size++] = e;
        return true;
    }

    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    @Override
    public E get(int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index);
        }
        return (E) elements[index];
    }

    // 还需实现 List 中所有的方法，如 remove()、iterator() 等，工作量很大。
}
继承 AbstractList 抽象类

通过继承 AbstractList，你只需实现一些关键方法，剩下的方法由 AbstractList 提供默认实现。

import java.util.AbstractList;

public class CustomList<E> extends AbstractList<E> {
    private Object[] elements = new Object[10];
    private int size = 0;

    @Override
    public E get(int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index);
        }
        return (E) elements[index];
    }

    @Override
    public int size() {
        return size;
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        if (size == elements.length) {
            Object[] newElements = new Object[size * 2];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, size);
            elements = newElements;
        }
        elements[size++] = e;
        return true;
    }

    // 不需要手动实现 addAll() 等通用方法，AbstractList 已提供默认实现。
}
运行示例
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        CustomList<String> list = new CustomList<>();
        list.add("A");
        list.add("B");
        list.add("C");
        System.out.println(list.get(1)); // 输出: B
        System.out.println(list.size()); // 输出: 3
    }
}

为什么 Java 集合框架中要设计接口和抽象类的这种关系？

1. 灵活性：接口用于定义行为规范

接口（如 List）允许不同的实现方式，适配多种需求，例如：

  • ArrayList：基于数组实现的列表，适合随机访问操作。
  • LinkedList：基于链表实现的列表，适合插入和删除操作。
  • 自定义列表：可以实现特定的逻辑，比如线程安全或固定容量。
2. 代码复用：抽象类减少重复代码

抽象类（如 AbstractList）避免了在每个实现类中重复编写通用逻辑。例如：

  • size() 的计算逻辑。
  • 批量添加方法（addAll()）的实现。
  • 迭代器（iterator()）的通用实现。

通过这种设计，新实现类只需关注特定的细节。

3. 多层次抽象设计

如下图中的设计：

  • 接口层： 定义行为规范（如 List, Collection）。
  • 抽象类层： 提供部分实现（如 AbstractList, AbstractCollection）。
  • 具体类层： 提供特定实现（如 ArrayList, LinkedList）。

这种多层次设计提供了灵活性和代码复用的平衡。

问题 1：调用的时候执行的是接口的方法还是抽象类的方法？

调用的是 对象的实际实现类中的方法，而不是接口或抽象类本身。尽管我们通过 List 这样的接口来引用一个对象，但具体执行的代码取决于 对象的具体实现类。

假设我们写了一段代码：

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Hello");

  1. 编译时看接口，运行时看实现类：

    • list 的编译时类型是 List，所以编译器只会允许你调用 List 接口中声明的方法，比如 add()、remove() 等。
    • 但 list 的运行时类型是 ArrayList，所以具体执行的 add() 方法是 ArrayList 类中定义的实现。

  2. 接口 vs 抽象类：

    • List 是接口，定义了 add() 的方法规范。
    • AbstractList 是一个抽象类，部分实现了 List 的规范，并提供了通用实现。
    • 但是：在 ArrayList 中，它直接继承了 AbstractList，并可能覆写了某些方法，所以最终调用的是 ArrayList 的实现。
       

为什么我们总是见到 List，而没有见过 AbstractList？

  • AbstractList 是设计细节：

    • AbstractList 是为具体实现类（如 ArrayList 和 LinkedList）服务的，目的是 减少代码重复。
    • 它为实现类提供了一些通用功能，比如：
      • 默认实现 addAll() 方法。
      • 默认实现 iterator() 方法。
    • 但是，AbstractList 是抽象的，不能直接使用，所以开发者不会直接实例化或引用它。

  • 面向接口编程的原则：我们习惯通过接口（如 List）去引用对象，这是面向接口编程的核心思想。


default 方法

    • 在 接口 中，default 方法允许有具体的实现，提供一个方法体。
    • 抽象类 中不需要使用 default 关键字，因为抽象类本身可以包含普通的具体方法（带方法体）和抽象方法（没有方法体）。

  2. 为什么 default 方法存在于接口：

    • 原本接口中的方法必须全部是抽象的，这意味着接口升级时（比如增加新方法），所有实现这个接口的类都必须修改，去实现新增的方法。
    • 为了兼容老代码，同时给接口增加新功能，Java 8 引入了 default 方法。default 方法是为了 在接口中提供默认实现，而不破坏已有的实现类。

  3. 抽象类和接口在具体方法上的区别：

    • 抽象类的普通方法天然支持具体实现，不需要额外关键字。
    • 接口中的 default 方法则是接口为了支持具体实现而引入的额外能力。

具体对比：抽象类和接口中的具体方法

特点抽象类中的具体方法接口中的 default 方法
是否需要关键字不需要，直接定义普通方法即可需要使用 default 关键字
是否可以有具体实现是的，普通方法都可以有实现是的，default 方法允许提供具体实现
是否可以被覆写可以，子类可以选择覆写抽象类中的普通方法可以，子类可以选择覆写接口中的 default 方法
是否强制实现不是，子类可以选择继承普通方法的实现或覆写它不是，默认继承接口中的 default 方法

default 方法的实际意义

1. 向接口新增方法时的兼容性问题

假设你有一个接口 MyInterface 和两个实现类：

interface MyInterface {
    void methodA();
}

class ClassA implements MyInterface {
    @Override
    public void methodA() {
        System.out.println("ClassA: methodA");
    }
}

class ClassB implements MyInterface {
    @Override
    public void methodA() {
        System.out.println("ClassB: methodA");
    }
}

如果你需要给 MyInterface 添加一个新方法 methodB，所有的实现类（ClassA 和 ClassB）都必须实现这个方法，否则代码无法编译。

2. 使用 default 方法解决兼容问题

在这种情况下，可以用 default 方法为新方法提供一个默认实现，从而避免修改所有实现类：

interface MyInterface {
    void methodA();

    // 新增一个 default 方法
    default void methodB() {
        System.out.println("Default implementation of methodB");
    }
}

class ClassA implements MyInterface {
    @Override
    public void methodA() {
        System.out.println("ClassA: methodA");
    }
}

class ClassB implements MyInterface {
    @Override
    public void methodA() {
        System.out.println("ClassB: methodA");
    }
}
运行示例
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyInterface objA = new ClassA();
        objA.methodA(); // 输出: ClassA: methodA
        objA.methodB(); // 输出: Default implementation of methodB

        MyInterface objB = new ClassB();
        objB.methodA(); // 输出: ClassB: methodA
        objB.methodB(); // 输出: Default implementation of methodB
    }
}

如果某个实现类需要对 default 方法提供自定义实现，可以覆写它：

class ClassB implements MyInterface {
    @Override
    public void methodA() {
        System.out.println("ClassB: methodA");
    }

    @Override
    public void methodB() {
        System.out.println("ClassB: Custom implementation of methodB");
    }
}

运行后：

MyInterface objB = new ClassB();
objB.methodB(); // 输出: ClassB: Custom implementation of methodB

结合数据库任务的实际场景

在你的数据库任务中，default 方法可以为某些操作提供通用实现。例如：

接口定义
public interface DBOperations {
    boolean createTable(String tableName, List<String> columns);

    default boolean dropTable(String tableName) {
        System.out.println("[OK] Dropped table: " + tableName);
        return true;
    }
}
实现类

具体类可以选择覆写或继承接口中的 default 方法或者覆写

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