(原創) interface和abstract class有何不同? (C/C++) (.NET) (C#)

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Abstract
這兩個的確非常的像，主要都是為了實踐『多型』，但實際的用途並不一樣。

Introduction
interface和abstract class在語言層次的差異，我就不再贅述，本文主要是放在何時該使用interface?何時該使用abstract class?

interface用在當一個物件須和其他物件共同合作時，為了確保其他物件有我想要的method，所以定下interface要該物件遵守，在Design Pattern到處可以看到這種應用，如strategy，bridge，prototype...。

而abstract class是用在整個繼承體系的最上層，用來定義出整個繼承體系該有哪些method，子類別可以對這些method加以override，或維持和abstract class相同的功能。Design Pattern中的template method，factory method...等就是用這種手法。

或者更明白的說，我們知道在OO主要有兩種技術：繼承(Inheritance)和組合(Composition)，而abstract class就是用在使用繼承技術時，而interface則是用在使用組合技術時。

使用繼承技術時，我們會將所有method由abstract class去宣告，然後由各子類別去override，若不得已某些class有自己的特殊method，則由該class自行宣告。

一旦使用組合時時，就牽涉到一個問題，你如何確保被你組合的物件有某個method呢?當你使用繼承時，因為所有的method都會被繼承，這不是問題，但組合就不一樣了，所以你必須建立一個interface，強迫要被你組合的物件，需實做這個interface，這樣當你要使用該物件時，才能確保有某個method可以呼叫。

Sample Code
以Door為例，Door是一個泛稱，適合當abstract class，定義出open()和close()，由於一般們都是水平左右開，所以可以將左右開的功能放在abstract class，今天有一個垂直上下開的門VerticalDoor，門是水平開的，明顯和abstract class不一樣，所以使用了override的方式去改寫，在此範例我們使用了『繼承』的技術。

UML



C++

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : DoorInheritance.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use abstract class
 7Release     : 05/07/2007 1.0
 8*/
 9
10 #include  < iostream >
11 #include  < vector >
12 #include  < algorithm >
13 #include  < functional >
14
15 using   namespace  std;
16
17 class  Door  {
18public:
19  virtual void open() const {
20    cout << "open horizontally" << endl;
21  }
22  
23  virtual void close() const {
24    cout << "close horizontally" << endl;
25  }
26} ;
27
28 class  HorizontalDoor :  public  Door  {
29} ;
30
31 class  VerticalDoor :  public  Door  {
32public:
33  void open() const {
34    cout << "open vertically" << endl;
35  }
36  
37  void close() const {
38    cout << "close vertically" << endl;
39  }
40} ;
41
42 class  DoorController  {
43protected:
44  vector<Door*> _doorVec;
45  
46public:
47  void addDoor(Door& aDoor) {
48    _doorVec.push_back(&aDoor);
49  }
50  
51  void openDoor() const {
52    for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), mem_fun(&Door::open));
53  }
54} ;
55
56
57 int  main()  {
58  DoorController dc;
59  dc.addDoor(HorizontalDoor());
60  dc.addDoor(VerticalDoor());
61  dc.openDoor();
62}

C#

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : DoorInheritance.cs
 5Compiler    : Visual Studio 2005 / C# 2.0
 6Description : Demo how to use abstract class
 7Release     : 05/07/2007 1.0
 8*/
 9 using  System;
10 using  System.Collections.Generic;
11
12 class  Door  {
13  public virtual void open() {
14    Console.WriteLine("open horizontally");
15  }
16  
17  public virtual void close() {
18    Console.WriteLine("close horizontally");
19  }
20}
21
22 class  HorizontalDoor : Door  {
23}
24
25 class  VerticalDoor : Door  {
26  public override void open() {
27    Console.WriteLine("open vertically");
28  }
29  
30  public override void close() {
31    Console.WriteLine("close vertically");
32  }
33}
34
35 class  DoorController  {
36  protected List<Door> _doorList = new List<Door>();
37  
38  public void addDoor(Door aDoor) {
39    _doorList.Add(aDoor);
40  }
41  
42  public void openDoor() {
43    foreach(Door iter in _doorList) {
44      iter.open();
45    }
46  }
47}
48
49 class  main  {
50  public static void Main() {
51    DoorController dc = new DoorController();
52    dc.addDoor(new HorizontalDoor());
53    dc.addDoor(new VerticalDoor());
54    dc.openDoor();
55  }
56}

執行結果

open horizontally
open vertically

假如日後需求改變，需要一個會警報的門AlarmDoor，由於廠商本身沒有生產警報器，所以勢必外包，這時他將規格定義成IAlarm interface，只要能生產出這個規格的Alarm，就可以透過『組合』的方式產生出會警報的門，在此範例我們使用『組合』技術。

UML(以下這個圖我畫錯了，_alarm應該在AlarmDoor內，感謝frank28_nfls的指正，C++與C#的code是對的)

C++

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
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 4Filename    : DoorInheritance.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use interface
 7Release     : 05/07/2007 1.0
 8*/
 9
10 #include  < iostream >
11 #include  < vector >
12 #include  < algorithm >
13 #include  < functional >
14
15 using   namespace  std;
16
17 class  Door  {
18public:
19  virtual void open() const {
20    cout << "open horizontally" << endl;
21  }
22  
23  virtual void close() const {
24    cout << "close horizontally" << endl;
25  }
26} ;
27
28 class  HorizontalDoor :  public  Door  {
29} ;
30
31 class  VerticalDoor :  public  Door  {
32public:
33  void open() const {
34    cout << "open vertically" << endl;
35  }
36  
37  void close() const {
38    cout << "close vertically" << endl;
39  }
40} ;
41
42 class  IAlarm  {
43public:
44  virtual void alert() const = 0;
45} ;
46
47 class  Alarm :  public  IAlarm  {
48public:
49  void alert() const {
50    cout << "ring,ring,ring" << endl;
51  }
52} ;
53
54 class  AlarmDoor :  public  Door  {
55protected:
56  IAlarm* _alarm;
57  
58public:
59  AlarmDoor() {
60    _alarm = new Alarm;
61  }
62  
63  ~AlarmDoor() {
64    delete _alarm;
65  }
66
67public:
68  void alert() {
69    _alarm->alert();
70  }
71} ;
72
73 class  DoorController  {
74protected:
75  vector<Door*> _doorVec;
76  
77public:
78  void addDoor(Door& aDoor) {
79    _doorVec.push_back(&aDoor);
80  }
81  
82  void openDoor() {
83    for_each(_doorVec.begin(), _doorVec.end(), mem_fun(&Door::open));
84  }
85} ;
86
87 int  main()  {
88  DoorController dc;
89  dc.addDoor(HorizontalDoor());
90  dc.addDoor(VerticalDoor());
91  dc.addDoor(AlarmDoor());
92  dc.openDoor();
93  
94  Door& door = AlarmDoor();
95  dynamic_cast<AlarmDoor&>(door).alert();
96}

C#

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
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 4Filename    : DoorInheritance.cs
 5Compiler    : Visual Studio 2005 / C# 2.0
 6Description : Demo how to use interface
 7Release     : 05/07/2007 1.0
 8*/
 9
10 using  System;
11 using  System.Collections.Generic;
12
13 abstract   class  Door  {
14  public virtual void open() {
15    Console.WriteLine("open horizontally");
16  }
17  
18  public virtual void close() {
19    Console.WriteLine("close horizontally");
20  }
21}
22
23 class  HorizontalDoor : Door  {
24}
25
26 class  VerticalDoor : Door  {
27  override public void open() {
28    Console.WriteLine("open vertically");
29  }
30  
31  override public void close() {
32    Console.WriteLine("close vertically");
33  }
34}
35
36 interface  IAlarm  {
37  void alert();
38}
39
40 class  Alarm : IAlarm  {
41  public void alert() {
42    Console.WriteLine("ring,ring,ring");
43  }
44}
45
46 class  AlarmDoor : Door  {
47  private IAlarm _alarm;
48  
49  public AlarmDoor() {
50    _alarm = new Alarm();
51  }
52
53  public void alert() {
54    _alarm.alert();
55  }
56}
57
58 class  DoorController  {
59  protected List<Door> _doorList = new List<Door>();
60
61  public void addDoor(Door aDoor) {
62    _doorList.Add(aDoor);
63  }
64
65  public void openDoor() {
66    foreach (Door iter in _doorList) {
67      iter.open();
68    }
69  }
70}
71
72 class  main  {
73  public static void Main() {
74    DoorController dc = new DoorController();
75    dc.addDoor(new HorizontalDoor());
76    dc.addDoor(new VerticalDoor());
77    dc.addDoor(new AlarmDoor());
78    dc.openDoor();
79  
80    Door door = new AlarmDoor();
81    ((AlarmDoor)(door)).alert();
82  }
83}

執行結果

open horizontally
open vertically
open horizontally
ring , ring , ring

值得注意的是，我並沒有將Door()這個abstract class加上alert()，因為alert()並非所有門都有，所以不應該放在abstract class，另外abstract class也不該隨意更改，所以才會說，abstract class和interface在設計時非常重要，整個多型的技術都是靠interface和abstract class支撐，只要interface或abstract class一變，整個多型機制就瓦解了。

Conclusion
interface和abstract class的差異，重點是在用的地方完全不同，而非僅是語法上的小差異，若從語言差異的角度去看interface和abstract class，當然會搞的一頭霧水，若從OO和Design Pattern的角度去看，才能較容易分辨interface和abstract的異同。

See Also
(原創) 我對interface的理解 (初級) (C/C++) (Design Pattern)

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