Абстрактные классы и интерфейсы в Java

В каких случаях стоит использовать абстрактный класс, а в каких — интерфейс? Давайте разбираться, в чем между ними разница.

Абстрактные классы и интерфейсы встречаются повсюду как в Java-приложениях, так и в самом Java Development Kit (JDK). Каждый из них служит своей цели:

• Интерфейс — это контракт, который должен быть реализован конкретным классом.

• Абстрактный класс похож на обычный, но отличается тем, что может содержать абстрактные методы — методы без реализации, и нельзя создать экземпляр абстрактного класса.

Многие разработчики не видят разницы между интерфейсами и абстрактными классами, но на самом деле между ними есть весьма существенное различие.

Интерфейсы

Интерфейс — это контракт, который реализуется в некотором классе. У интерфейса не может быть состояния, поэтому в нем нельзя использовать изменяемые поля экземпляра. В интерфейсе могут быть только неизменяемые final-поля.

Когда использовать интерфейсы

Интерфейсы очень полезны для уменьшения связанности (coupling) кода и реализации полиморфизма. Для примера давайте взглянем на интерфейс List из JDK:

public interface List<E> extends Collection<E> {

    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean add(E e);
    E remove(int index);
    void clear();
}

Как вы, вероятно, заметили, код весьма краток и лаконичен. Здесь мы видим сигнатуры методов, которые будут реализованы в конкретном классе, реализующем этот интерфейс.

Контракт интерфейса List реализуется классами ArrayList, Vector, LinkedList и другими.

При использовании полиморфизма тип переменной объявляем как List, и присваиваем ей любую из доступных реализаций. Например:

List list = new ArrayList();
System.out.println(list.getClass());

 List list = new LinkedList();
 System.out.println(list.getClass());

Результат:

class java.util.ArrayList
class java.util.LinkedList

В этом случае в каждом классе присутствует своя реализация методов. И это отличный пример использования интерфейсов. Если вы заметили, что ряд ваших классов содержит одинаковые методы, но с разными реализациями, то стоит использовать интерфейс.

Переопределение метода интерфейса

Помните, что интерфейс — это контракт, который должен быть реализован конкретным классом. Методы интерфейса неявно абстрактны и обязаны быть реализованы в классе, реализующем этот интерфейс.

Рассмотрим следующий пример:

public class OverridingDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Challenger challenger = new JavaChallenger();
    challenger.doChallenge();
  }
}

interface Challenger {
  void doChallenge();
}

class JavaChallenger implements Challenger {
  @Override
  public void doChallenge() {
    System.out.println("Challenge done!");
  }
}

Результат будет следующий:

Challenge done!

Обратите внимание еще раз, что методы интерфейса неявно абстрактны и их не нужно явно объявлять как abstract.

Неизменяемые переменные

Еще одно правило, которое следует помнить, заключается в том, что интерфейс может содержать только неизменяемые переменные. Следующий код вполне рабочий:

public interface Challenger {
  
  int number = 7;
  String name = "Java Challenger";

}

Обратите внимание, что обе переменные неявно final и static. Это означает, что они являются константами, не зависят от экземпляра и не могут быть изменены.

При попытке изменить поля в интерфейсе Challenger, например, следующим образом:

Challenger.number = 8;
Challenger.name = "Another Challenger";

будет ошибка компиляции:

Cannot assign a value to final variable 'number'
Cannot assign a value to final variable 'name'

Default-методы

После появления в Java 8 методов по умолчанию, некоторые разработчики решили, что интерфейсы стали абстрактными классами. Однако это не так, поскольку у интерфейсов не может быть состояния.

У методов по умолчанию может быть реализация, а у абстрактных методов — нет. Методы по умолчанию — результат появления лямбда-выражений и Stream API, но использовать их нужно с осторожностью.

В качестве примера default-метода из JDK можно привести метод forEach() из интерфейса Iterable. Вместо копирования кода этого метода во все реализации Iterable, мы можем переиспользовать метод forEach:

default void forEach(Consumer<? super T> action) { 
  // Code implementation here…

Любая реализация Iterable может использовать метод forEach() без необходимости реализации этого нового метода.

Давайте рассмотрим пример с методом по умолчанию:

public class DefaultMethodExample {

  public static void main(String[] args) {
    Challenger challenger = new JavaChallenger();
    challenger.doChallenge();
  }

}

class JavaChallenger implements Challenger { }

interface Challenger {

  default void doChallenge() {
    System.out.println("Challenger doing a challenge!");
  }
}

Результат:

Challenger doing a challenge!

Важно отметить, что у default-метода должна быть реализация и default-метод не может быть статическим.

Абстрактные классы

У абстрактных классов может быть состояние в виде изменяемых полей экземпляра. Например:

public abstract class AbstractClassMutation {

  private String name = "challenger";

  public static void main(String[] args) {
    AbstractClassMutation abstractClassMutation = new AbstractClassImpl();
    abstractClassMutation.name = "mutated challenger";
    System.out.println(abstractClassMutation.name);
  }

}

class AbstractClassImpl extends AbstractClassMutation { }

Результат:

mutated challenger

Абстрактные методы в абстрактных классах

Аналогично интерфейсам в абстрактных классах могут быть абстрактные методы. Абстрактный метод — это метод без тела (без реализации). Но в отличие от интерфейсов, абстрактные методы в абстрактных классах должны быть явно объявлены как абстрактные. 

public abstract class AbstractMethods {

  abstract void doSomething();

}

Попытка объявить метод без реализации и без ключевого слова abstract, например, следующим образом:

public abstract class AbstractMethods {
   void doSomethingElse();
}

приведет к ошибке компиляции:

Missing method body, or declare abstract

Когда использовать абстрактные классы

Рекомендуется использовать абстрактный класс, когда вам нужно изменяемое состояние. В качестве примера можно привести класс AbstractList из Java Collections Framework, который использует состояние.

Если хранить состояние класса не нужно, обычно лучше использовать интерфейс.

Хороший пример использования абстрактных классов — паттерн "шаблонный метод" (template method). Шаблонный метод манипулирует переменными экземпляра (полями) внутри конкретных методов.

Различия между абстрактными классами и интерфейсами

С точки зрения объектно-ориентированного программирования основное различие между интерфейсом и абстрактным классом заключается в том, что интерфейс не может иметь состояния, тогда как абстрактный класс может (в виде полей экземпляра).

Другое ключевое различие заключается в том, что классы могут реализовывать более одного интерфейса, но расширять только один абстрактный класс. Множественное наследование может привести к тупиковым ситуациям в коде, поэтому авторы Java решили этого избежать, отказавшись от него.

Еще одно различие состоит в том, что интерфейс может быть реализован классом или расширен другим интерфейсом, а класс может быть только расширен.

Также важно отметить, что лямбда-выражения могут использоваться только с функциональными интерфейсами (интерфейс только с одним методом), но не с абстрактными классами с одним абстрактным методом.

В таблице 1 обобщены различия между абстрактными классами и интерфейсами.

Таблица 1. Сравнение интерфейсов и абстрактных классов

Интерфейсы	Абстрактные классы
Могут содержать только final static поля. Интерфейс никогда не может изменять свое состояние.	Могут быть любые поля, в том числе статические, изменяемые и неизменяемые.
Класс может реализовывать несколько интерфейсов.	Класс может расширять только один абстрактный класс.
Может быть реализован с помощью ключевого слова implements.  Может расширять другой интерфейс с помощью extends.	Может быть только расширен с помощью extends.
Можно использовать только static final поля. Параметры и локальные переменные в методах.	Могут быть изменяемые поля экземпляра. Параметры и локальные переменные в методах.
В лямбда-выражениях могут использоваться только функциональные интерфейсы.	Абстрактные классы с одним абстрактным методом не могут использоваться в лямбда-выражениях.
Не может быть конструктора.	Может содержать конструктор.
Могут быть абстрактные методы. Могут быть default и static методы (c Java 8). Могут быть private методы с реализацией (с Java 9).	Могут быть любые методы.

Задачка

Давайте изучим основные различия между интерфейсами и абстрактными классами с помощью небольшой задачки. Вы также можете посмотреть данный материал в формате видео (англ.).

В приведенном ниже коде объявлены интерфейс, абстрактный класс и используются лямбда-выражения.

public class AbstractResidentEvilInterfaceChallenge {
  static int nemesisRaids = 0;
  public static void main(String[] args) {
    Zombie zombie = () -> System.out.println("Graw!!! " + nemesisRaids++);
    System.out.println("Nemesis raids: " + nemesisRaids);
    Nemesis nemesis = new Nemesis() { public void shoot() { shoots = 23; }};

    Zombie.zombie.shoot();
    zombie.shoot();
    nemesis.shoot();
    System.out.println("Nemesis shoots: " + nemesis.shoots +
        " and raids: " + nemesisRaids);
  }
}
interface Zombie {
  Zombie zombie = () -> System.out.println("Stars!!!");
  void shoot();
}
abstract class Nemesis implements Zombie {
   public int shoots = 5;
}

Как вы думаете, какой будет вывод, когда мы запустим этот код? Выберите один из следующих вариантов:

Вариант 1

     Compilation error at line 4

Вариант 2

     Graw!!! 0
     Nemesis raids: 23
     Stars!!!
     Nemesis shoots: 23 and raids:1

Вариант 3

     Nemesis raids: 0
     Stars!!!
     Graw!!! 0
     Nemesis shoots: 23 and raids: 1

Вариант 4

     Nemesis raids: 0
     Stars!!!
     Graw!!! 1
     Nemesis shoots: 23 and raids:1

Вариант 5

	Compilation error at line 6

Разбор задачи

Эта задачка демонстрирует понятия об интерфейсах, абстрактных методах и о некоторых других вещах. Давайте разберем код строка за строкой.

В первой строке main() присутствует лямбда-выражение для интерфейса Zombie. Обратите внимание, что в этой лямбде мы инкрементируем статическое поле. Здесь также можно было использовать поле экземпляра, но не локальную переменную, объявленную вне лямбда-выражения. То есть код компилируется без ошибок. Также обратите внимание, что это лямбда-выражение еще не выполняется, оно только объявлено, и поле nemesisRaids не будет увеличено.

Далее мы выводим значение поля nemesisRaids, которое еще не увеличено. Следовательно, вывод будет:

Nemesis raids: 0

Еще один интересный момент заключается в том, что мы используем анонимный внутренний класс. Мы создаем не экземпляр абстрактного класса Nemesis, но экземпляр анонимного класса, расширяющего Nemesis. Также обратите внимание, что первый конкретный класс в иерархии наследования всегда будет обязан реализовать абстрактные методы.

В интерфейсе Zombie есть поле с типом интерфейса Zombie, объявленное с помощью лямбда-выражения. Поэтому, когда мы вызываем метод Zombie.zombie.shoot(), получим следующий вывод:

Stars!!!

В следующей строке вызывается лямбда-выражение, которое мы создали в начале. Следовательно, переменная nemesisRaids будет увеличена. Однако, поскольку мы используем оператор постинкремента, она будет увеличена только после этого выражения. Следующий вывод будет:

Graw!!! 0

Далее вызовем метод shoot для nemesis, который изменяет поле экземпляра shoots на 23. Обратите внимание, что как раз здесь мы видим основную разницу между интерфейсом и абстрактным классом.

Наконец, мы выводим значение nemesis.shoots и nemesisRaids.

Nemesis shoots: 23 and raids: 1

Правильный ответ — вариант 3:

     Nemesis raids: 0
     Stars!!!
     Graw!!! 0
     Nemesis shoots: 23 and raids: 1

---

Материал подготовлен в преддверии старта специализации Java-разработчик.

Недавно в рамках специализации прошел открытый урок, на котором мы обсудили алгоритм бинарного поиска, разобрались, почему он быстрее линейного. А также познакомились с понятием «О-большое». Делимся записью этого урока.