Java面向对象：抽象类详解

在Java的面向对象编程中，有一个概念占据了重要的位置，那就是抽象类。对于很多初学者来说，抽象类可能是一个比较难以理解的概念，但实际上，它非常强大，掌握了它，你将能够在编写代码时更加得心应手，解决更多实际问题。
我将从抽象类的基本定义出发，逐步讲解其特点、用途、与接口的区别以及如何在实际开发中合理运用抽象类。通过生动的比喻和代码示例，带你深入浅出地理解这一概念，帮助你在编程之路上更进一步。

一、抽象类的基本定义

1.1 什么是抽象类？

在日常生活中，我们常常会遇到一些看似完整的事物，但它们其实并没有完全定义所有的细节。比如说，一个“车辆”类，它可以包括一些基本特性，比如“品牌”、“车轮数量”，但是它的具体类型可能是“自行车”、“汽车”或者“火车”，而不同的车辆有不同的启动方式、加速方式和刹车方式。

这个时候，抽象类的概念就应运而生了。抽象类就像是“车辆”这个父类，它规定了共性的特性和行为，但没有具体实现某些方法，具体的实现需要在子类中完成。

在Java中，抽象类（abstract class）是一个不能被实例化的类。它可以包含抽象方法和具体方法。

1.2 抽象类的特点

1. 不能实例化：抽象类不能通过new关键字直接创建对象。

   // 错误示范，不能直接实例化抽象类
   Vehicle vehicle = new Vehicle(); // 编译错误
   

2. 可以有抽象方法和具体方法：抽象方法只有方法声明，没有方法体，子类必须实现这些抽象方法；具体方法有方法实现，可以被继承和重用。

3. 可以有构造函数：抽象类可以有构造函数，子类可以调用父类的构造函数进行初始化。

4. 可以有成员变量：抽象类可以定义成员变量，供子类使用。

1.3 抽象类与接口的区别

Java中还有一个与抽象类类似的概念——接口（interface）。抽象类和接口有许多相似之处，但也有一些关键的区别：

特性	抽象类	接口
方法	可以有抽象方法和具体方法	所有方法默认为抽象方法（在Java 8以后，接口可以有默认方法和静态方法）
构造函数	可以有构造函数	不能有构造函数
成员变量	可以有实例变量，且可以有不同的访问修饰符	只能有public static final的常量
多继承	不支持多继承，但可以实现多个接口	可以实现多个接口
访问修饰符	可以使用任何访问修饰符	只能是public

从上表可以看出，抽象类适用于有共享代码的场景，而接口则更侧重于规定行为规范。需要注意的是，Java 8引入了默认方法和静态方法，使得接口也能够部分实现方法。

二、抽象类的使用示例

2.1 简单的车辆示例

我们可以通过创建一个Vehicle抽象类来模拟车辆的多态性。Vehicle类定义了一个抽象方法start()，而具体的Car和Bike类将实现这个方法。

abstract class Vehicle {String brand;// 抽象方法public abstract void start();// 具体方法public void displayInfo() {System.out.println("Brand: " + brand);}
}class Car extends Vehicle {public Car(String brand) {this.brand = brand;}// 实现抽象方法public void start() {System.out.println("The car is starting with an ignition key.");}
}class Bike extends Vehicle {public Bike(String brand) {this.brand = brand;}// 实现抽象方法public void start() {System.out.println("The bike is starting by pedaling.");}
}public class Main {public static void main(String[] args) {Vehicle car = new Car("Toyota");Vehicle bike = new Bike("Trek");car.displayInfo();car.start();bike.displayInfo();bike.start();}
}

2.2 输出结果

Brand: Toyota
The car is starting with an ignition key.
Brand: Trek
The bike is starting by pedaling.

在这个示例中，Vehicle是一个抽象类，它定义了一个抽象方法start()，并且在子类Car和Bike中分别实现了不同的启动方式。抽象类使得我们能够将Vehicle类作为一种模板，定义了所有车辆的共性，但没有实现具体的启动逻辑，具体的实现由子类完成。

三、抽象类的应用场景

3.1 模板方法模式

抽象类常用于模板方法模式中，模板方法模式是一种行为设计模式，它定义了算法的骨架，并将一些步骤的实现延迟到子类中。抽象类可以通过提供一个模板方法来实现整个算法的框架，同时让子类决定如何实现某些步骤。

例如，考虑一个制作饮料的过程，可以设计一个抽象类Beverage，它定义了一个模板方法prepareRecipe()，该方法定义了制作饮料的步骤顺序，但某些步骤如brew()和addCondiments()交给具体的子类来实现。

abstract class Beverage {// 模板方法public final void prepareRecipe() {boilWater();brew();pourInCup();addCondiments();}// 具体方法private void boilWater() {System.out.println("Boiling water...");}private void pourInCup() {System.out.println("Pouring into cup...");}// 抽象方法public abstract void brew();public abstract void addCondiments();
}class Tea extends Beverage {@Overridepublic void brew() {System.out.println("Steeping the tea...");}@Overridepublic void addCondiments() {System.out.println("Adding lemon...");}
}class Coffee extends Beverage {@Overridepublic void brew() {System.out.println("Dripping coffee through filter...");}@Overridepublic void addCondiments() {System.out.println("Adding sugar and milk...");}
}public class Main {public static void main(String[] args) {Beverage tea = new Tea();tea.prepareRecipe();System.out.println("\n---\n");Beverage coffee = new Coffee();coffee.prepareRecipe();}
}

3.2 输出结果

Boiling water...
Steeping the tea...
Pouring into cup...
Adding lemon...---Boiling water...
Dripping coffee through filter...
Pouring into cup...
Adding sugar and milk...

3.3 解释

在这个例子中，Beverage是一个抽象类，定义了prepareRecipe()作为模板方法，步骤是固定的，只有brew()和addCondiments()方法是抽象的，由Tea和Coffee类分别实现。这使得我们可以确保每种饮料的制作过程一致，但每种饮料的具体实现又可以根据需要灵活变动。

四、常见面试题

在Java面试中，抽象类常常是一个考察的重点。下面是一个常见的面试题，来自于全球五百强企业的面试问题：

面试题：多态与抽象类

问题描述：假设你有一个Shape类，它有一个抽象方法draw()。现在你需要实现Circle和Rectangle这两个类，它们都继承Shape类，并实现draw()方法。请完成以下任务：

1. 定义Shape类和draw()方法。
2. 实现Circle和Rectangle类。
3. 创建一个Shape数组，存储不同类型的Shape对象，并调用它们的draw()方法。

解答：

abstract class Shape {public abstract void draw();
}class Circle extends Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("Drawing a Circle");}
}class Rectangle extends Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("Drawing a Rectangle");}
}public class Main {public static void main(String[] args) {Shape[] shapes = new Shape[2];shapes[0] = new Circle();shapes[1] = new Rectangle();for (Shape shape : shapes) {shape.draw();  // 动态绑定，实际调用的是子类的draw()方法}}
}

解释

在这个面试题中，我们创建了一个抽象类Shape，它有一个抽象方法draw()。Circle和Rectangle类继承Shape类并实现draw()方法。在Main类中，我们通过一个Shape数组来存储Circle和Rectangle对象，并通过调用draw()方法展示了Java的多态性。

五、总结

掌握抽象类，不仅可以让你写出更加清晰、简洁、易于维护的代码，也能够帮助你在面试中脱颖而出。希望通过这篇文章，你能够对Java中的抽象类有一个深入的理解，并在实际开发中得心应手。