Java学习笔记（9）：内部类、抽象类、接口

一、Java内部类及其实例化

在 Java 中，允许在一个类（或方法、语句块）的内部定义另一个类，称为内部类(Inner Class)，有时也称为嵌套类(Nested Class)。

内部类和外层封装它的类之间存在逻辑上的所属关系，一般只用在定义它的类或语句块之内，实现一些没有通用意义的功能逻辑，在外部引用它时必须给出完整的名称。

使用内部类的主要原因有：

• 内部类可以访问外部类中的数据，包括私有的数据。
• 内部类可以对同一个包中的其他类隐藏起来。
• 当想要定义一个回调函数且不想编写大量代码时，使用匿名(anonymous)内部类比较便捷。
• 减少类的命名冲突。

请看下面的例子：

public class Demo {
    private int size;
    public class Inner {
        private int counter = 10;
        public void doStuff() {
            size++;
        }
    }
    public static void main(String args[]) {
        Demo outer = new Demo();
        Inner inner = outer.new Inner();
        inner.doStuff();
        System.out.println(outer.size);
        System.out.println(inner.counter);
        // 编译错误，外部类不能访问内部类的变量
//        System.out.println(counter);
    }
}

这段代码定义了一个外部类 Outer，它包含了一个内部类 Inner。将错误语句注释掉，编译，会生成两个 .class 文件：Outer.class 和 Outer$`Inner.class。也就是说，内部类会被编译成独立的字节码文件。内部类是一种编译器现象，与虚拟机无关。编译器将会把内部类翻译成用`$ 符号分隔外部类名与内部类名的常规类文件，而虚拟机则对此一无所知。
注意：必须先有外部类的对象才能生成内部类的对象，因为内部类需要访问外部类中的成员变量，成员变量必须实例化才有意义。

内部类是 Java 1.1 的新增特性，有些程序员认为这是一个值得称赞的进步，但是内部类的语法很复杂，严重破坏了良好的代码结构， 违背了Java要比C++更加简单的设计理念。

内部类看似增加了—些优美有趣，实属没必要的特性，这是不是也让Java开始走上了许多语言饱受折磨的毁灭性道路呢？本教程并不打算就这个问题给予一个肯定的答案。

二、内部类的分类

内部类可以是静态(static)的，可以使用 public、protected 和 private 访问控制符，而外部类只能使用 public，或者默认。

2.1 成员式内部类

在外部类内部直接定义（不在方法内部或代码块内部）的类就是成员式内部类，它可以直接使用外部类的所有变量和方法，即使是 private 的。外部类要想访问内部类的成员变量和方法，则需要通过内部类的对象来获取。

请看下面的代码：

三、抽象类的概念和使用

在自上而下的继承层次结构中，位于上层的类更具有通用性，甚至可能更加抽象。从某种角度看，祖先类更加通用，它只包含一些最基本的成员，人们只将它作为派生其他类的基类，而不会用来创建对象。甚至，你可以只给出方法的定义而不实现，由子类根据具体需求来具体实现。

这种只给出方法定义而不具体实现的方法被称为抽象方法，抽象方法是没有方法体的，在代码的表达上就是没有“{}”。包含一个或多个抽象方法的类也必须被声明为抽象类。

使用 abstract 修饰符来表示抽象方法和抽象类。

抽象类除了包含抽象方法外，还可以包含具体的变量和具体的方法。类即使不包含抽象方法，也可以被声明为抽象类，防止被实例化。

抽象类不能被实例化，抽象方法必须在子类中被实现。请看下面的代码：

import static java.lang.System.*;

public  class Demo{
    public static void main(String[] args) {
        Teacher t = new Teacher();
        t.setName("王明");
        t.work();
       
        Driver d = new Driver();
        d.setName("小陈");
        d.work();
    }
}

// 定义一个抽象类
abstract class People{
    private String name;  // 实例变量
   
    // 共有的 setter 和 getter 方法
    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }
    public String getName(){
        return this.name;
    }
   
    // 抽象方法
    public abstract void work();
}

class Teacher extends People{
    // 必须实现该方法
    public void work(){
        out.println("我的名字叫" + this.getName() + "，我正在讲课，请大家不要东张西望...");
    }
}

class Driver extends People{
    // 必须实现该方法
    public void work(){
        out.println("我的名字叫" + this.getName() + "，我正在开车，不能接听电话...");
    }
}

运行结果：
我的名字叫王明，我正在讲课，请大家不要东张西望…
我的名字叫小陈，我正在开车，不能接听电话…

关于抽象类的几点说明：

• 抽象类不能直接使用，必须用子类去实现抽象类，然后使用其子类的实例。然而可以创建一个变量，其类型是一个抽象类，并让它指向具体子类的一个实例，也就是可以使用抽象类来充当形参，实际实现类作为实参，也就是多态的应用。
• 不能有抽象构造方法或抽象静态方法。

在下列情况下，一个类将成为抽象类：

• 当一个类的一个或多个方法是抽象方法时；
• 当类是一个抽象类的子类，并且不能为任何抽象方法提供任何实现细节或方法主体时；
• 当一个类实现一个接口，并且不能为任何抽象方法提供实现细节或方法主体时；注意：

这里说的是这些情况下一个类将成为抽象类，没有说抽象类一定会有这些情况。一个典型的错误：抽象类一定包含抽象方法。 但是反过来说“包含抽象方法的类一定是抽象类”就是正确的。事实上，抽象类可以是一个完全正常实现的类

四、接口的概念和使用

4.1 接口的概念

在抽象类中，可以包含一个或多个抽象方法；但在接口(interface)中，所有的方法必须都是抽象的，不能有方法体，它比抽象类更加“抽象”。

接口使用 interface 关键字来声明，可以看做是一种特殊的抽象类，可以指定一个类必须做什么，而不是规定它如何去做。

现实中也有很多接口的实例，比如说串口电脑硬盘，Serial ATA委员会指定了Serial ATA 2.0规范，这种规范就是接口。Serial ATA委员会不负责生产硬盘，只是指定通用的规范。

希捷、日立、三星等生产厂家会按照规范生产符合接口的硬盘，这些硬盘就可以实现通用化，如果正在用一块160G日立的串口硬盘，现在要升级了，可以购买一块320G的希捷串口硬盘，安装上去就可以继续使用了。

下面的代码可以模拟Serial ATA委员会定义以下串口硬盘接口：

public interface Demo{
    //连接线的数量
    public static final int CONNECT_LINE=4;
    //写数据
    public void writeData(String data);
    //读数据
    public String readData();
}

注意：接口中声明的成员变量默认都是 public static final 的，必须显式地初始化。因而在常量声明时可以省略这些修饰符。

接口是若干常量和抽象方法的集合，目前看来和抽象类差不多。确实如此，接口本就是从抽象类中演化而来的，因而除特别规定，接口享有和类同样的“待遇”。比如，源程序中可以定义多个类或接口，但最多只能有一个public 的类或接口，如果有则源文件必须取和public的类和接口相同的名字。和类的继承格式一样，接口之间也可以继承，子接口可以继承父接口中的常量和抽象方法并添加新的抽象方法等。

但接口有其自身的一些特性，归纳如下。

• 1) 接口中只能定义抽象方法，这些方法默认为 public abstract 的，因而在声明方法时可以省略这些修饰符。试图在接口中定义实例变量、非抽象的实例方法及静态方法，都是非法的。例如：

public interface SataHdd{
    //连接线的数量
    public int connectLine; //编译出错，connectLine被看做静态常量，必须显式初始化
    //写数据
    protected void writeData(String data); //编译出错，必须是public类型
    //读数据
    public static String readData(){ //编译出错，接口中不能包含静态方法
        return "数据"; //编译出错，接口中只能包含抽象方法，
    }
}

• 2) 接口中没有构造方法，不能被实例化。

• 3) 一个接口不实现另一个接口，但可以继承多个其他接口。接口的多继承特点弥补了类的单继承。例如：

//串行硬盘接口
public interface SataHdd extends A,B{
    // 连接线的数量
    public static final int CONNECT_LINE = 4;
    // 写数据
    public void writeData(String data);
    // 读数据
    public String readData();
}
interface A{
    public void a();
}
interface B{
    public void b();
}

4.2 为什么使用接口

大型项目开发中，可能需要从继承链的中间插入一个类，让它的子类具备某些功能而不影响它们的父类。例如 A -> B -> C -> D -> E，A 是祖先类，如果需要为C、D、E类添加某些通用的功能，最简单的方法是让C类再继承另外一个类。但是问题来了，Java 是一种单继承的语言，不能再让C继承另外一个父类了，只到移动到继承链的最顶端，让A再继承一个父类。这样一来，对C、D、E类的修改，影响到了整个继承链，不具备可插入性的设计。

接口是可插入性的保证。在一个继承链中的任何一个类都可以实现一个接口，这个接口会影响到此类的所有子类，但不会影响到此类的任何父类。此类将不得不实现这个接口所规定的方法，而子类可以从此类自动继承这些方法，这时候，这些子类具有了可插入性。

我们关心的不是哪一个具体的类，而是这个类是否实现了我们需要的接口。

接口提供了关联以及方法调用上的可插入性，软件系统的规模越大，生命周期越长，接口使得软件系统的灵活性和可扩展性，可插入性方面得到保证。

接口在面向对象的 Java 程序设计中占有举足轻重的地位。事实上在设计阶段最重要的任务之一就是设计出各部分的接口，然后通过接口的组合，形成程序的基本框架结构。

4.3 接口的使用

接口的使用与类的使用有些不同。在需要使用类的地方，会直接使用new关键字来构建一个类的实例，但接口不可以这样使用，因为接口不能直接使用 new 关键字来构建实例。

接口必须通过类来实现(implements)它的抽象方法，然后再实例化类。类实现接口的关键字为implements。

如果一个类不能实现该接口的所有抽象方法，那么这个类必须被定义为抽象方法。

不允许创建接口的实例，但允许定义接口类型的引用变量，该变量指向了实现接口的类的实例。

一个类只能继承一个父类，但却可以实现多个接口。

实现接口的格式如下：
修饰符 class 类名 extends 父类 implements 多个接口 {
实现方法
}

import static java.lang.System.*;

public class Demo{
  public static void main(String[] args) {
      SataHdd sh1=new SeagateHdd(); //初始化希捷硬盘
      SataHdd sh2=new SamsungHdd(); //初始化三星硬盘
  }
}

//串行硬盘接口
interface SataHdd{
    //连接线的数量
    public static final int CONNECT_LINE=4;
    //写数据
    public void writeData(String data);
    //读数据
    public String readData();
}

// 维修硬盘接口
interface fixHdd{
    // 维修地址
    String address = "北京市海淀区";
    // 开始维修
    boolean doFix();
}

//捷硬盘
class SeagateHdd implements SataHdd, fixHdd{
    //希捷硬盘读取数据
    public String readData(){
        return "数据";
    }
    //希捷硬盘写入数据
    public void writeData(String data) {
        out.println("写入成功");
    }
    // 维修希捷硬盘
    public boolean doFix(){
        return true;
    }
}
//三星硬盘
class SamsungHdd implements SataHdd{
    //三星硬盘读取数据
    public String readData(){
        return "数据";
    }
    //三星硬盘写入数据
    public void writeData(String data){
        out.println("写入成功");
    }
}
//某劣质硬盘，不能写数据
abstract class XXHdd implements SataHdd{
    //硬盘读取数据
    public String readData() {
        return "数据";
    }
}

4.4 接口作为类型使用

接口作为引用类型来使用，任何实现该接口的类的实例都可以存储在该接口类型的变量中，通过这些变量可以访问类中所实现的接口中的方法，Java 运行时系统会动态地确定应该使用哪个类中的方法，实际上是调用相应的实现类的方法。

示例如下：

public class Demo{
    public void test1(A a) {
        a.doSth();
    }
    public static void main(String[] args) {
        Demo d = new Demo();
        A a = new B();
        d.test1(a);
    }
}
interface A {
    public int doSth();
}
class B implements A {
    public int doSth() {
        System.out.println("now in B");
        return 123;
    }
}

运行结果：
now in B

大家看到接口可以作为一个类型来使用，把接口作为方法的参数和返回类型。

五、接口和抽象类的区别

类是对象的模板，抽象类和接口可以看做是具体的类的模板。

由于从某种角度讲，接口是一种特殊的抽象类，它们的渊源颇深，有很大的相似之处，所以在选择使用谁的问题上很容易迷糊。我们首先分析它们具有的相同点。

• 都代表类树形结构的抽象层。在使用引用变量时，尽量使用类结构的抽象层，使方法的定义和实现分离，这样做对于代码有松散耦合的好处。
• 都不能被实例化。
• 都能包含抽象方法。抽象方法用来描述系统提供哪些功能，而不必关心具体的实现。

下面说一下抽象类和接口的主要区别。

• 1) 抽象类可以为部分方法提供实现，避免了在子类中重复实现这些方法，提高了代码的可重用性，这是抽象类的优势；而接口中只能包含抽象方法，不能包含任何实现。

public abstract class A{
    public abstract void method1();
    public void method2(){
        //A method2
    }
}
public class B extends A{
    public void method1(){
        //B method1
    }
}
public class C extends A{
    public void method1(){
        //C method1
    }
}

抽象类A有两个子类B、C，由于A中有方法method2的实现，子类B、C中不需要重写method2方法，我们就说A为子类提供了公共的功能，或A约束了子类的行为。method2就是代码可重用的例子。A 并没有定义 method1的实现，也就是说B、C 可以根据自己的特点实现method1方法，这又体现了松散耦合的特性。

再换成接口看看：

public interface A{
    public void method1();
    public void method2();
}
public class B implements A{
    public void method1(){
        //B method1
    }
    public void method2(){
        //B method2
    }
}
public class C implements A{
    public void method1(){
        //C method1
    }
    public void method2(){
        //C method2
    }
}

接口A无法为实现类B、C提供公共的功能，也就是说A无法约束B、C的行为。B、C可以自由地发挥自己的特点现实 method1和 method2方法，接口A毫无掌控能力。

• 2) 一个类只能继承一个直接的父类（可能是抽象类），但一个类可以实现多个接口，这个就是接口的优势。

interface A{
    public void method2();
}
interface B{
    public void method1();
}
class C implements A,B{
    public void method1(){
        //C method1
    }
    public void method2(){
        //C method2
    }
}
//可以如此灵活的使用C，并且C还有机会进行扩展，实现其他接口
A a=new C();
B b=new C();
abstract class A{
    public abstract void method1();
}
abstract class B extends A{
    public abstract void method2();
}
class C extends B{
    public void method1(){
        //C method1
    }
    public void method2() {
        //C method2
    }
}

对于C类，将没有机会继承其他父类了。

综上所述，接口和抽象类各有优缺点，在接口和抽象类的选择上，必须遵守这样一个原则：

• 行为模型应该总是通过接口而不是抽象类定义，所以通常是优先选用接口，尽量少用抽象类。
• 选择抽象类的时候通常是如下情况：需要定义子类的行为，又要为子类提供通用的功能。