Javaの抽象クラス: abstractキーワードを解説

抽象クラスとは

インターフェースは状態を持たずに振る舞いを宣言します。通常のクラスは完全に実装されており、インスタンス化できます。抽象クラスはその中間に位置します。通常のクラスと同じようにフィールド、コンストラクタ、実装済みのメソッドを持てますが、一部のメソッドを未実装のまま残すこともでき、直接インスタンス化することは禁止されています。これはabstractキーワードで印を付けます。

考え方としては、サブクラスに共通するものすべてを1か所にまとめつつ、本当に異なる部分は各サブクラスに埋めさせる、ということです。

abstract class Animal {
    private final String name;

    Animal(String name) { this.name = name; }   // 共有コンストラクタ

    String getName() { return name; }            // 共有された完成済みメソッド

    abstract String sound();                     // 本体なし - 各サブクラスが決める
}

class Dog extends Animal {
    Dog(String name) { super(name); }
    String sound() { return "Woof"; }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a = new Dog("Rex");
        System.out.println(a.getName() + " says " + a.sound());
    }
}

AnimalはすべてのサブクラスのためにgetName()を一度だけ定義し、sound()をabstractとして宣言します。これはシグネチャはあるが本体がないメソッドで、Dogが用意しなければなりません。

抽象クラスはインスタンス化できない

抽象クラスには未完成のメソッドがある可能性があるため、直接生成すると不完全なオブジェクトが残ってしまいます。コンパイラはこれを拒否します。

Animal a = new Animal("???");   // error: Animal is abstract; cannot be instantiated

常に具象サブクラス、つまりすべての抽象メソッドを実装したサブクラスをインスタンス化します。そのサブクラスのインスタンスは抽象型の変数に保持でき、これがまさに抽象化の使い方です。

抽象メソッドはサブクラスに決定を強制する

abstractメソッドは、サブクラスが守らなければならない約束です。サブクラスがそのうちの1つの実装を忘れると、そのサブクラス自身が抽象になり、コンパイラがそれを知らせてくれます。これが抽象クラスの最大の利点です。特定の振る舞いが存在することを保証しつつ、それが何をするかは指定しないのです。

abstract class Shape {
    abstract double area();                       // すべての図形がこれを定義しなければならない

    void describe() {                             // 共有、一度だけ書く
        System.out.printf("%s with area %.2f%n",
            getClass().getSimpleName(), area());
    }
}

class Circle extends Shape {
    private final double r;
    Circle(double r) { this.r = r; }
    double area() { return Math.PI * r * r; }
}

class Square extends Shape {
    private final double side;
    Square(double side) { this.side = side; }
    double area() { return side * side; }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Shape[] shapes = { new Circle(2), new Square(3) };
        for (Shape s : shapes) {
            s.describe();                         // 自動的に正しい area() を呼び出す
        }
    }
}

describe()はShapeの中で一度だけ書かれているのに、各サブクラス独自のarea()を呼び出します。抽象クラスが共通の足場を提供し、サブクラスが具体的な内容を提供します。

共有状態とコンストラクタ

従来のインターフェースとは異なり、抽象クラスはインスタンスフィールドを保持し、コンストラクタを定義できます。コンストラクタが単独でAnimalやShapeを作ることは決してありません。サブクラスが生成されるときにsuper(...)を通じて実行され、共有状態を初期化します。

abstract class Account {
    private double balance;

    Account(double opening) { this.balance = opening; }

    double getBalance() { return balance; }

    void deposit(double amount) { balance += amount; }

    abstract double interestRate();               // 口座の種類ごとに異なる

    void applyInterest() { balance += balance * interestRate(); }
}

class Savings extends Account {
    Savings(double opening) { super(opening); }
    double interestRate() { return 0.05; }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Account acc = new Savings(1000);
        acc.deposit(500);
        acc.applyInterest();
        System.out.printf("balance: %.2f%n", acc.getBalance());
    }
}

balanceフィールド、deposit、applyInterestは1か所にまとまっています。実際に変わる方針であるinterestRate()だけが抽象のまま残されます。サブクラスのコンストラクタは、この継承された状態を初期化するためにsuper(...)を呼び出さなければなりません。

落とし穴: abstractとfinalの併用

abstractとfinalは正反対です。abstractメソッドはオーバーライドを要求し、finalメソッドはそれを禁止します。同じものを両方の方法で印付けすること、あるいは抽象クラスをfinalにすることはコンパイルエラーです。また、抽象クラスは抽象メソッドがゼロでもよいことを覚えておきましょう。インスタンス化を防ぐためだけにクラスをabstractと宣言することは正当であり、継承だけを意図した基底型にとって役立つことがあります。

abstract final class Bad { }        // error: abstract and final conflict

abstract class Base {
    abstract final void f();        // error: an abstract method can't be final
}

抽象クラスとインターフェース

両者は重なる部分があるため、選択は何を共有したいかに帰着します。

• 抽象クラス - 状態とコードを共有する密接に関連したクラスに使います。SavingsもCheckingもAccountを継承し、balanceフィールドとdepositのロジックを受け継ぎます。クラスが継承できるのは1つだけです。
• インターフェース - 無関係なクラスが共有できる能力に使います。BirdとAirplaneは、実装をいっさい共有せずに両方ともFlyableになれます。クラスは複数を実装できます。

よくあるパターンは両者を組み合わせます。インターフェースが契約を定義し、抽象クラスが定型コードを実装することで、具象サブクラスは固有の部分だけを埋めればよくなります。

次: ポリモーフィズム

上記のどの例でも、サブクラスのインスタンスを抽象型の変数に保持し、メソッドを呼び出すと自動的にサブクラスの振る舞いが得られたことに注目してください。この1つの能力 — 1つの参照型で実行時に多くの振る舞いをとること — がポリモーフィズムであり、抽象クラスとインターフェースが真価を発揮する理由です。それが次のページのテーマです。