Абстрактные классы и интерфейсы в Java: погружение в продвинутую теорию
Java позволяет реализовывать полиморфизм двумя ключевыми механизмами: абстрактными классами и интерфейсами. Несмотря на очень похожие концепции, они имеют важные различия, которые важно понимать для разработки эффективных приложений и успешного прохождения технических собеседований. В этой статье мы рассмотрим основные сценарии использования и теоретические аспекты различий между абстрактными классами и интерфейсами, а также рассмотрим примеры реализации задач с их помощью.
Для кого предназначена эта статья:
- Вы используете язык Java в своей работе или только учитесь на нем программировать.
- Вы хотите детально разобраться в различиях абстрактных классов и интерфейсов в Java, включая такие новейшие изменения как Sealed Classes представленные в JEP 409 в 17-й версии Java.
Несмотря на то что мы будем уделять внимание детальному, иногда дотошному, разбору базовых вопросов, которые будут полезны начинающим свой путь в разработке, опытные инженеры-программисты также найдут для себя много полезного в этом материале.
Для начала нам нужно дать определения абстрактному классу и интерфейсу в Java. Давайте рассмотрим этот вопрос на аналогии из реальной жизни:
Представим, что у нас есть два человека: мужчина и женщина. После рождения они будут иметь базовые данные вроде имени, фамилии, роста и веса. Также они будут уметь дышать и употреблять пищу. Со временем, они будут учиться и получать новые навыки вроде проведения интегральных вычислений, съемки видео для TikTok или создания презентаций в PowerPoint.
- Человек — это базовый абстрактный класс, определяющий состояние объекта вроде имени, фамилии, возраста и базовое поведение в виде навыков дыхания и употребления пищи.
- Мужчина и женщина — это реализации абстрактного класса, определяющие поведение абстрактных методов и добавляющие свое состояние.
- Навык создания презентаций в PowerPoint — это интерфейс, который могут реализовывать разные люди и который не является для них обязательным.
UML-диграмма с абстрактным классом Человек, двумя конкретными классами Мужчина и Женщина, наследующими класс Человек и реализующими два интерфейса: PowerPointService и TikTokService
Стоит упомянуть, что это лишь аналогия, и она не может полностью отобразить сложность и разнообразие реального мира. В реальности люди не могут быть легко классифицированы или ограничены определенными атрибутами или способностями. Это также относится и к программированию: абстрактные классы, интерфейсы и их реализации часто могут быть гораздо сложнее и разнообразнее, чем может показаться на первый взгляд.
Формальное определение абстрактного класса будет звучать следующим образом:
Абстрактный класс — это класс, объявленый как abstract, который имеет возможность включать методы. Абстрактные классы не могут быть созданы (инстанциированы), но они могут быть расширены (наследованы) другими классами.
Формальное определение интерфейса:
Интерфейс — это ссылочный тип, который может содержать константы, сигнатуры методов, методы по-умолчанию, статические методы и вложенные типы, при этом тела методов могут иметь только методы по-умолчанию и статические методы. Интерфейсы не могут быть созданы (инстанциированы), но могут быть реализованы классами или расширены (наследованы) другими интерфейсами.
Абстрактный класс предоставляет структуру с базовым поведением и состоянием, присущим всем его наследникам. Интерфейс, в свою очередь, можно сравнить с набором навыков, которые могут иметь работники в конкретной области. Конкретные классы работников могут реализовывать этот интерфейс и добавлять свои собственные методы, связанные с особенностями их профессии.
Таким образом, абстрактный класс и интерфейс можно использовать вместе для создания гибких и расширяемых приложений, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям и потребностям в различных областях.
Для начала давайте рассмотрим классическое определение различий между абстрактными классами и интерфейсами, которые можно чаще всего услышать в большинстве технический статей и дискуссий. В следующих разделах мы рассмотрим продвинутые нюансы, которые обычно упускаются при поверхностном изучении этого вопроса.
Итак, абстрактный класс — это класс, который может иметь абстрактные методы, не может быть создан (инстанциирован), но можем иметь конструктор и состояние. Абстрактные методы — это методы, имеющие сигнатуру (название метода, принимаемые параметры и возвращаемый тип), но не имеющие реализации (тела метода). Абстрактный класс также может иметь неабстрактные методы, которые имеют реализацию (тело метода). Все конкретные классы, наследующиеся от абстрактного класса, должны определять реализацию (тело метода) для всех абстрактных методов. Состояние класса можно определить как переменные экземпляра и неабстрактные методы, которые могут получать доступ к этим переменным и изменять их.
Интерфейс, в свою очередь, — это набор абстрактных методов, которые должны быть реализованы классом. Один класс может реализовать множество интерфейсов, но наследоваться только от одного класса. Это дает возможность использовать интерфейсы для, своего рода, реализации множественного наследования, которое не поддерживается Java-классами. Когда класс реализует интерфейс, он должен предоставить реализацию для всех методов, объявленных в интерфейсе — аналогично абстрактным методам в абстрактном классе.
Главное различие между абстрактным классом и интерфейсом заключается в том, что абстрактный класс может иметь состояние, тогда как интерфейс нет. Отсюда вытекает тот факт, что абстрактный класс может иметь конструктор, тогда как интерфейс нет. Когда создается подкласс, конструктор его супер-класса (включая любой абстрактный класс) вызывается автоматически. Интерфейс не может иметь конструктор, потому что он не может быть создан.
Здесь сразу возникает очевидный вопрос — почему мы не можем создать (инстанциировать) абстрактный класс, если у него есть конструктор? Несмотря на наличие конструктора, абстрактный класс не может быть создан (инстанциирован) напрямую потому что он не является полноценным классом из-за отсутствия деталей имплементации — абстрактных методов. Если бы мы давали возможность напрямую создавать абстрактные классы, то у нас бы возникали исключительные ситуации при попытке вызвать его абстрактные методы из-за отсутствия у них реализации (тела метода), поэтому такое решение просто не имеет смысла.
Когда мы создаем объект класса наследника, конструктор абстрактного класса вызывается неявно для инициализации полей абстрактного класса (его состояния). Следовательно, можно считать, что конструктор абстрактного класса вызывается косвенно, а не напрямую. Это же объясняет и отсутствия конструктора у интерфейса в Java — так как у интерфейса нет состояния в виде переменных экземпляра и методов имеющих к ним доступ, то нет необходимости и в конструкторе, который их инициализирует.
Рассмотрим несколько базовых примеров кода для иллюстрации различий между абстрактным классом и интерфейсом в Java.
Abstract Methods and Classes
An abstract class is a class that is declared abstract it may or may not include abstract methods. Abstract classes cannot be instantiated, but they can be subclassed.
An abstract method is a method that is declared without an implementation (without braces, and followed by a semicolon), like this:
abstract void moveTo(double deltaX, double deltaY);
If a class includes abstract methods, then the class itself must be declared abstract , as in:
public abstract class GraphicObject < // declare fields // declare nonabstract methods abstract void draw(); >
When an abstract class is subclassed, the subclass usually provides implementations for all of the abstract methods in its parent class. However, if it does not, then the subclass must also be declared abstract .
Note: Methods in an interface (see the Interfaces section) that are not declared as default or static are implicitly abstract, so the abstract modifier is not used with interface methods. (It can be used, but it is unnecessary.)
Abstract Classes Compared to Interfaces
Abstract classes are similar to interfaces. You cannot instantiate them, and they may contain a mix of methods declared with or without an implementation. However, with abstract classes, you can declare fields that are not static and final, and define public, protected, and private concrete methods. With interfaces, all fields are automatically public, static, and final, and all methods that you declare or define (as default methods) are public. In addition, you can extend only one class, whether or not it is abstract, whereas you can implement any number of interfaces.
Which should you use, abstract classes or interfaces?
- Consider using abstract classes if any of these statements apply to your situation:
- You want to share code among several closely related classes.
- You expect that classes that extend your abstract class have many common methods or fields, or require access modifiers other than public (such as protected and private).
- You want to declare non-static or non-final fields. This enables you to define methods that can access and modify the state of the object to which they belong.
- You expect that unrelated classes would implement your interface. For example, the interfaces Comparable and Cloneable are implemented by many unrelated classes.
- You want to specify the behavior of a particular data type, but not concerned about who implements its behavior.
- You want to take advantage of multiple inheritance of type.
An example of an abstract class in the JDK is AbstractMap , which is part of the Collections Framework. Its subclasses (which include HashMap , TreeMap , and ConcurrentHashMap ) share many methods (including get , put , isEmpty , containsKey , and containsValue ) that AbstractMap defines.
An example of a class in the JDK that implements several interfaces is HashMap , which implements the interfaces Serializable , Cloneable , and Map . By reading this list of interfaces, you can infer that an instance of HashMap (regardless of the developer or company who implemented the class) can be cloned, is serializable (which means that it can be converted into a byte stream; see the section Serializable Objects), and has the functionality of a map. In addition, the Map interface has been enhanced with many default methods such as merge and forEach that older classes that have implemented this interface do not have to define.
Note that many software libraries use both abstract classes and interfaces; the HashMap class implements several interfaces and also extends the abstract class AbstractMap .
An Abstract Class Example
In an object-oriented drawing application, you can draw circles, rectangles, lines, Bezier curves, and many other graphic objects. These objects all have certain states (for example: position, orientation, line color, fill color) and behaviors (for example: moveTo, rotate, resize, draw) in common. Some of these states and behaviors are the same for all graphic objects (for example: position, fill color, and moveTo). Others require different implementations (for example, resize or draw). All GraphicObject s must be able to draw or resize themselves; they just differ in how they do it. This is a perfect situation for an abstract superclass. You can take advantage of the similarities and declare all the graphic objects to inherit from the same abstract parent object (for example, GraphicObject ) as shown in the following figure.
Classes Rectangle, Line, Bezier, and Circle Inherit from GraphicObject
First, you declare an abstract class, GraphicObject , to provide member variables and methods that are wholly shared by all subclasses, such as the current position and the moveTo method. GraphicObject also declares abstract methods for methods, such as draw or resize , that need to be implemented by all subclasses but must be implemented in different ways. The GraphicObject class can look something like this:
abstract class GraphicObject < int x, y; . void moveTo(int newX, int newY) < . >abstract void draw(); abstract void resize(); >
Each nonabstract subclass of GraphicObject , such as Circle and Rectangle , must provide implementations for the draw and resize methods:
class Circle extends GraphicObject < void draw() < . >void resize() < . >> class Rectangle extends GraphicObject < void draw() < . >void resize() < . >>
When an Abstract Class Implements an Interface
In the section on Interfaces , it was noted that a class that implements an interface must implement all of the interface’s methods. It is possible, however, to define a class that does not implement all of the interface’s methods, provided that the class is declared to be abstract . For example,
abstract class X implements Y < // implements all but one method of Y >class XX extends X < // implements the remaining method in Y >
In this case, class X must be abstract because it does not fully implement Y , but class XX does, in fact, implement Y .
Class Members
An abstract class may have static fields and static methods. You can use these static members with a class reference (for example, AbstractClass.staticMethod() ) as you would with any other class.