【JAVA SE基础】抽象类和接口

一、前言

二、抽象类

2.1 抽象类的概念

2.2 抽象类语法

2.3 抽象类特性

2.4 抽象类的作用

三、接口

3.1 什么是接口

3.2 语法规则

3.3 接口使用

3.4 接口特性

3.5 实现多接口

3.6 接口间的继承

四、Object类

4.1 获取对象信息（ toString() ）

4.2 对象间的比较（ equals() ）

4.3 hashcode 方法

五、接口使用实例

5.1 给对象数组排序（Comparable接口—compareTo方法）

5.2 Cloneable 接口

六、抽象类和接口的区别

一、前言

在当今迅速发展的软件开发领域，面向对象编程（OOP）已经成为了构建复杂系统的重要方法论。在这一过程中，抽象类和接口作为核心概念，发挥着不可或缺的作用。它们不仅帮助我们设计灵活、可扩展的系统结构，还促进了代码的重用和维护。

在本篇博客中，我们将探讨抽象类和接口的定义、特点及其实际应用。

二、抽象类

2.1 抽象类的概念

在面向对象的概念中，所有的对象都是通过类来描绘的，但是反过来，并不是所有的类都是用来描绘对象的，如果一个类中没有包含足够的信息来描绘一个具体的对象，这样的类就是抽象类。

比如：我们之前所学习的 Animal 类，其成员变量或方法所描绘的是所有动物的共性，并不能描述具体对象，因此可以设计为抽象类。

【说明】：

Animal 是动物类，每个动物都有叫的方法，但是由于 Animal 不是一个具体的动物，因此内部 bark() 方法无法具体实现。
Dog 类是狗类，与 Animal 是继承关系，狗是一种具体的动物，狗叫：汪汪汪，其 bark() 可以实现。
Cat 类是猫类，与 Animal 是继承关系，猫是一种具体的动物，猫叫：喵喵喵，其 bark() 可以实现。
因此：Animal 可以设计为抽象类。

在上述例子中，可以发现，父类 Animal 的 bark() 方法貌似并没有什么实际的工作，主要描述动物的叫声都是由 Animal 的子类中 bark() 方法来完成的。像这种没有实际工作的方法，我们把它设计成一个抽象方法（abstract method），包含抽象方法的类我们称为抽象类（abstract class）。

2.2 抽象类语法

在 Java 中，一个类如果被 abstract 修饰称为抽象类，在抽象类中被 abstract 修饰的方法称为抽象方法，抽象方法不用给出具体的实现体。抽象类也是类，内部可以包含普通方法和属性，甚至构造方法。

// 抽象类：被 abstract 修饰的类
public abstract class Shape {
    protected double area; // 面积
    
    // 抽象方法：被 abstract 修饰的方法，没有方法体
    abstract public void draw();
    abstract void calcArea();
    
    // 抽象类也是类，也可以增加普通方法和属性
    public double getArea() {
        return area;
    }
}

2.3 抽象类特性

抽象类不能直接实例化对象

Shape shape = new Shape();

// 编译出错
java: Shape是抽象的; 无法实例化

抽象方法不能是 private 修饰的
抽象方法不能被 final 和 static 修饰，因为抽象方法要被子类重写

抽象类必须被继承，并且继承之后子类要重写父类中的抽象方法，否则子类也是抽象类，必须要使用 abstract 修饰

// 矩形类
public class Rect extends Shape{
    private double length;
    private double width;

    public Rect(double length, double width) {
        this.length = length;
        this.width = width;
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("矩形：length = " + length + " width = " + width);
    }

    @Override
    void calcArea() {
        area = length * width;
    }
}

// 圆类
public class Circle extends Shape {
    private double r;
    final private static double PI = 3.14;

    public Circle(double r) {
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("圆：r = " + r);
    }

    @Override
    void calcArea() {
        area = PI * r * r;
    }
}

// 三角形类
public abstract class Triangle extends Shape{
    private double a;
    private double b;
    private double c;

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("三角形：a = " + a + " b = " + b + " c = " + c);
    }

    //三角形：直角三角形、等腰三角形等，还可以继续细化
    //@Override
    //void calcArea(); // 编译失败：要么实现该抽象方法，要么将三角形设计为抽象类
}

抽象类中不一定包含抽象方法，但有抽象方法的类一定是抽象类
抽象类中可以有构造方法，供子类创建对象时，初始化父类的成员变量

2.4 抽象类的作用

抽象类本身不能被实例化，要想使用，只能创建该抽象类的子类，然后让子类重写抽象类中的抽象方法。

那么我们就会有一个疑问：普通的类也可以被继承，普通的方法也可以被重写，为啥非得用抽象类和抽象方法呢？

确实如此，但是抽象类相当于多了一重编译器的校验

使用抽象类的场景就如上面的代码，实际工作不应该由父类完成，而是应该由子类完成。那么此时如果不小心误用成父类了，使用普通类编译器是不会报错的，但是父类是抽象类就会在实例化的时候提示错误，让我们尽早发现问题。

很多语法存在的意义都是为了"预防出错"，例如我们曾经用过的 final 也是类似，创建的变量用户不去修改，不就相当于常量吗？但是加上 final 能够在我们不小心误修改的时候，让编译器提醒我们。

充分利用编译器的校验，在实际开发中是非常有意义的。

三、接口

3.1 什么是接口

接口就是公共的行为规范标准，大家在实现时，只要符合规范标准，就可以通用。在 Java 中，接口可以看成是：多个类的公共规范，是一种引用数据类型。

3.2 语法规则

接口的定义格式与定义类的格式基本相同，将 class 关键字换成 interface 关键字，就定义了一个接口。

public interface IUSB {
    public abstract void method(); // public abstract 可以不写
    public void method2();
    abstract void method3();
    void method4();
}

// 上述写法都是抽象方法，更推荐方式4，代码更简洁

接口的命名一般以大写字母 I 开头，其后一般跟"形容词"词性的单词。

3.3 接口使用

接口不能直接使用，需要有 "实现类" 来 "实现" 该接口，实现接口中的所有抽象方法。子类和父类之间是 extends 关系，类与接口之间是 implements 实现关系。

// USB接口
public interface IUSB {
    void openDevice();
    void closeDevice();
}

// 鼠标类，实现USB接口
public class Mouse implements IUSB{
    @Override
    public void openDevice() {
        //... 实现接口中的抽象方法openDevice
    }

    @Override
    public void closeDevice() {
        //... 实现接口中的抽象方法closeDevice
    }
}

Mouse 类就是接口 USB 的一个实现类，Mouse 类中可以实现自己的方法，但必须将接口中所有的抽象方法重写，否则就会报错。

3.4 接口特性

接口类型是一种引用类型，但是不能直接 new 接口的对象。
接口中每一个方法都是 public 修饰的抽象方法，即接口中的方法会被隐式的指定为 public abstract （只能是 public abstract ，其他修饰符会报错）。
接口中的方法是不能在接口中实现的，只能由实现接口的类来实现。
实现类重写接口方法时，要使用 public 修饰。
接口当中的成员变量，默认是 public static final 修饰的（可以不写）。
接口中不能有构造方法和代码块。
接口当中不可以有普通的方法。
一个接口也会产生独立的字节码文件（ .class ）。
如果类没有实现接口中所有的抽象方法，那么这个类必须设置为抽象类。
接口也是可以发生向上转型和动态绑定的。

3.5 实现多接口

在学习继承的时候，我们知道在 Java 语言中：类和类之间只能是单继承的，一个类只能有一个父类，即 Java 中不支持多继承。但是接口不同于继承，一个类可以实现多个接口。我们可以通过一组示例来理解多个接口的实现：

首先定义一个动物类代表父类：

class Animal {
    protected String name;

    public Animal(String name) {
        this.name = name;
    }
}

在提供一组接口，分别代表 "会飞的"， "会跑的"，"会游泳的"：

interface IFlying {
    void fly();
}

interface IRunning {
    void run();
}

interface ISwimming {
    void swim();
}

接下来创建一些类对上面的类和接口进行实现：

猫：会跑，所以用 IRunning 接口：

class Cat extends Animal implements IRunning{

    public Cat(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(this.name + "正在用四条腿跑");
    }
}

鱼：会游泳，所以用 ISwimming 接口：

class Fish extends Animal implements ISwimming {

    public Fish(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void swim() {
        System.out.println(this.name + "正在用尾巴游泳");
    }
}

青蛙：既能在陆地上跑，又能在水里游，所以用 IRunning 接口和 ISwimming 接口：

class Frog extends Animal implements IRunning,ISwimming {

    public Frog(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(this.name + "正在往前跳");
    }

    @Override
    public void swim() {
        System.out.println(this.name + "正在蹬腿游泳");
    }
}

鸭子：能跑，能游泳，还能飞，所以用 IRunning 接口、ISwimming 接口和 IFlying 接口：

class Duck extends Animal implements ISwimming, IRunning, IFlying {

    public Duck(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void fly() {
        System.out.println(this.name + "正在用翅膀飞");
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(this.name + "正在岸上跑");
    }

    @Override
    public void swim() {
        System.out.println(this.name + "正在用脚蹼游泳");
    }
}

注意：一个类实现多个接口时，每个接口中的抽象方法都要实现，否则类必须设置为抽象类。

接下来我们可以测试一下我们的代码：

public class Test {
    public static void testRun(IRunning running) {
        running.run();
    }

    public static void testSwim(ISwimming iSwimming) {
        iSwimming.swim();
    }

    public static void testFly(IFlying iFlying) {
        iFlying.fly();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cat cat = new Cat("咪咪");
        Fish fish = new Fish("小鲤鱼");
        Frog frog = new Frog("呱呱");
        Duck duck = new Duck("嘎嘎");

        testRun(cat);
        testRun(frog);
        testRun(duck);
        System.out.println("==========");
        testSwim(fish);
        testSwim(frog);
        testSwim(duck);
        System.out.println("==========");
        testFly(duck);
    }
}

上述的代码就是 Java 面向对象编程中最常见的用法：一个类继承一个父类，同时实现多种接口。当然也可以不继承父类，只实现接口。

继承的表达含义是 is-a 语义，而接口表达的含义是 具有xxx特性 。

猫是一种动物，具有会跑的特性

青蛙也是一种动物，既能跑，也能游泳

鸭子也是一种动物，能飞、能跑也能游泳

3.6 接口间的继承

在 Java 语言中：类和类之间只能是单继承的，一个类可以实现多个接口，接口与接口之间可以多继承。

接口可以继承一个或多个接口，达到复用的效果，使用 extends 关键字。

// 两栖的动物，既能跑也能游泳
public interface IAmphibious extends IRunning,ISwimming {
    
}

接口间的继承相当于把多个接口合并在一起。

四、Object类

Object 类是 Java 默认提供的一个类，Java 中所有的类都默认继承 Object 类。换句话说就是：Object 类是所有类的父类，所有类的对象都可以使用 Object 的引用进行接收。

使用 Object 接收所有类的对象：

class Person {
}

class Student {
}

public class Test {
    public static void function(Object obj) {
        System.out.println(obj);
    }

    public static void main(String[] args) {
        function(new Person());
        function(new Student());
    }
}

//执行结果：
Person@3b07d329
Student@404b9385

关于 Object 类中的方法，我们可以在帮助文档中查看：

其中常用的方法有：toString()方法、equals()方法、hashcode()方法...

4.1 获取对象信息（ toString() ）

Object 类中的 toString 方法实现：返回值是 类名+@+哈希码的十六进制表示。

如果不重写 Object 的 toString() 方法，打印出来的结果是 Java 中对象的默认字符串表示形式：

public class Person {
    String name;
    String gender;
    int age;
 
    public Person(String name, String gender, int age) {
        this.name = name;
        this.gender = gender;
        this.age = age;
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person("Jim", "男", 18);
        System.out.println(person);
    }
}
 
//打印结果：Person@4eec7777
//Person 是对象属于的类名称。
//@4eec7777 是对象的哈希码的十六进制表示，表示对象在内存中的唯一性。

println() 方法为什么跟 Object 类中的 toString() 方法联系上了呢？

我们可以使用 Ctrl + 鼠标左键点击 println 跳转到方法内部去查看其逻辑：层层关系之下，我们可以看到最后其 return 的值是 null 或者 Object 类的 toString 方法。

故此想要打印具体的对象信息，可以重写 toString() 方法：

public class Person {
    String name;
    String gender;
    int age;
 
    public Person(String name, String gender, int age) {
        this.name = name;
        this.gender = gender;
        this.age = age;
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", gender='" + gender + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person("Jim", "男", 18);
        System.out.println(person);
    }
}

4.2 对象间的比较（ equals() ）

Object 类中的 equals 方法实现：equals方法默认是按照地址比较的。

我们之前学习过 == 也可以进行比较：

当 == 两边是基本数据类型变量时，比较的是变量中值是否相同
当 == 两边是引用数据类型变量时，比较的是引用变量地址是否相同

如果要比较两个引用数据类型变量的内容是否相同就要用到 equals() 方法并且需要重写。

public class Person {
    String name;
    int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Jim",  18);
        Person p2 = new Person("Jim",  18);
        int a = 10;
        int b = 10;
        System.out.println(a == b); //true
        System.out.println(p1 == p2); //false
        System.out.println(p1.equals(p2)); //false
    }
}

Person 类重写 equals 方法后，然后比较：

public class Person {
    String name;
    int age;

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;

        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;

        Person person = (Person) o;
        return age == person.age && Objects.equals(name, person.name);
    }

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Jim",  18);
        Person p2 = new Person("Jim",  18);
        System.out.println(p1.equals(p2)); //true
    }
}

故此，比较对象中内容是否相等的时候，一定要重写 equals 方法。

4.3 hashcode 方法

在刚刚我们调用 toString 方法时，已经见过 hashcode 方法了，他帮我们算了一个具体的对象位置，然后调用Integer.toHexString()方法，将这个地址以16进制输出。

我们同样可以在 Object 类中找到 hashcode 方法源码：

public native int hashCode();

该方法是一个 native 方法，底层是由 C/C++ 代码写的，我们看不到。

我们认为两个名字相同，年龄相同的对象，将存储在同一个位置，如果不重写 hashcode() 方法，我们可以来看示例代码：

public class Person {
    String name;
    int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Jim",  18);
        Person p2 = new Person("Jim",  18);
        System.out.println(p1.hashCode()); //1324119927
        System.out.println(p2.hashCode()); //990368553
    }
}

此时，两个对象的 hash 值不一样。

类似于重写 equals 方法一样，我们也可以重写 hashcode 方法。此时我们再来看代码：

public class Person {
    String name;
    int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Jim",  18);
        Person p2 = new Person("Jim",  18);
        System.out.println(p1.hashCode()); //2309797
        System.out.println(p2.hashCode()); //2309797
    }
}

此时，两个对象的 hash 值一样。

【结论】：

hashcode 方法用来确定对象在内存中的存储位置是否相同。
事实上 hashcode 在散列表中才有用，在其他情况下没用。在散列表中 hashcode 的作用是获取对象的散列码，进而确定该对象在散列表中的位置。

五、接口使用实例

了解完 Object 类后，我们可以更好的理解接口的使用情景：

5.1 给对象数组排序（Comparable接口—compareTo方法）

class Student {
    private String name;
    private int score;

    public Student(String name, int score) {
        this.name = name;
        this.score = score;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "[" + this.name + this.score + ']';
    }

    public static void main(String[] args) {
        Student[] students = new Student[] {
                new Student("zs",95),
                new Student("ls",80),
                new Student("ww",61),
                new Student("zl",93),
        };
        Arrays.sort(students);
        System.out.println(Arrays.toString(students));
    }
}

按照我们之前所学习的内容，数组本身提供一个排序的 sort 方法，那么能否像上述代码那样使用 sort 方法排序后打印呢？运行一下，我们看到程序报错了：

仔细思考，不难发现，和普通的整数不一样，两个整数是可以直接比较的，大小关系明确。而两个学生对象的大小关系怎么确定？需要我们额外指定。

让我们的 Student 类实现 Comparable 接口，并实现其中的 compareTo 方法：

class Student implements Comparable<Student>{
    private String name;
    private int score;

    public Student(String name, int score) {
        this.name = name;
        this.score = score;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "[" + this.name + this.score + ']';
    }
    
    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        return this.score - o.score; //大于输出整数，小于输出负数，等于输出0
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Student[] students = new Student[] {
                new Student("zs",95),
                new Student("ls",80),
                new Student("ww",61),
                new Student("zl",93),
        };
        Arrays.sort(students);
        System.out.println(Arrays.toString(students));
    }
}

这样就将无序的对象数组排序了。对于 sort 方法来说，需要传入的数组的每个对象都是"可比较"的，需要具备 compareTo 这样的能力。通过重写该方法就可以定义比较规则。

为了加深理解，我们可以尝试自己实现一个 sort 方法来完成刚才的排序过程（使用冒泡排序）：

class Student implements Comparable<Student>{
    private String name;
    private int score;

    public Student(String name, int score) {
        this.name = name;
        this.score = score;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "[" + this.name + this.score + ']';
    }

    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        return this.score - o.score; //大于输出整数，小于输出负数，等于输出0
    }

    public static void sort(Comparable[] array){
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            for (int j = 0; j < array.length - 1 - i; j++) {
                if (array[j].compareTo(array[j+1]) > 0) {
                    Comparable tmp = array[j];
                    array[j] = array[j + 1];
                    array[j + 1] = tmp;
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Student[] students = new Student[] {
                new Student("zs",95),
                new Student("ls",80),
                new Student("ww",61),
                new Student("zl",93),
        };
        sort(students); //这里使用的是自己定义的 sort 而不是 Arrays.sort()
        System.out.println(Arrays.toString(students));
    }
}

5.2 Cloneable 接口

Java 中内置了一些很有用的接口，Cloneable 就是其中之一：

Object 类中存在一个 clone 方法, 调用这个方法可以创建一个对象的 "拷贝"。但是要想合法调用clone 方法, 必须要先实现 Cloneable 接口, 否则就会抛出 CloneNotSupportedException 异常。

class Animal implements Cloneable{
    private String name;

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Animal{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }

    public Animal(String name) {
        this.name = name;
    }

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        Animal animal1 = new Animal("小鸟");
        Animal animal2 = (Animal) animal1.clone();
        System.out.println(animal1 == animal2);
        System.out.println(animal1);
        System.out.println(animal2);
    }
}