Java基礎第13回『抽象クラスとは何なのかを学んでいこう』

2023年7月26日2024年5月23日

この記事について

Java基礎第12回では継承について解説しました。
この記事は、オブジェクト指向プログラミングの重要な要素である「抽象クラス」について詳細に解説しています。抽象クラスの役割、基本概念、実装方法、そしてその利点と欠点について、具体的な例を交えてわかりやすく説明しています。

プログラミング初心者から中級者まで、抽象クラスの概念を理解し、適切に活用するための知識を深めたい方にとって非常に役に立つ内容です。オブジェクト指向プログラミングの基礎を強化したい方に強くおすすめの記事です。

抽象クラスの役割と重要性

オブジェクト指向プログラミングのキーとなる概念の1つに「抽象クラス」があります。抽象クラスとは、具体的な動作を持たない「設計図」のようなもので、その設計図に基づいてサブクラスが具体的な動作を持つように設計されます。このような設計図を用いる理由は、全てのオブジェクトが共通して持つべき性質や動作を一元管理し、それぞれのオブジェクトがどのように動くべきかを統一するためです。コードの再利用性が高まり、保守性が向上するというメリットがあります。

例えば、動物園の動物たちを考えてみましょう。動物園の動物たちはみな「食事をする」「眠る」という共通の動作を持っています。しかし、それぞれの動物が「何を食べるか」「どうやって眠るか」といった具体的な動作は大きく異なります。ここで抽象クラスが登場します。全ての動物が持つ共通の動作を定義する「動物」抽象クラスを作り、それを具体的な動物のクラス（例えば「象」クラスや「ペンギン」クラス）が継承することで、一貫性を保ったまま各動物の特性を表現することができます。

抽象クラスの基本概念

「抽象クラス」とは具体的な実装を持たないクラスのことを指します。抽象クラスはJavaでいうところのabstractキーワードを用いて定義され、その名の通り「抽象的」な概念を表現します。抽象クラス自体はインスタンス化することができず、具体的なクラス（具象クラス）が抽象クラスを継承してそのメソッドを実装（具体化）することにより使用します。

以下に「動物」を表す抽象クラスの例を示します。

abstract class Animal {
    abstract void eat();
    abstract void sleep();
}

このコードでは、動物が「食事をする(eat)」と「眠る(sleep)」という共通の動作を持つことを表現しています。ただし、その具体的な内容は定義されていません。これが抽象クラスの特徴であり、抽象クラスの強力な機能の一部です。

抽象メソッドの説明

抽象メソッドとは、その名の通り抽象クラス内で定義される「抽象的」なメソッドのことを指します。抽象メソッドはメソッドの宣言のみを行い、その具体的な実装は抽象クラスを継承する具象クラスが行います。抽象メソッドもまたabstractキーワードを用いて定義します。

たとえば、「動物」抽象クラスには「食事をする(eat)」と「眠る(sleep)」という抽象メソッドがありました。しかし、それぞれの動物がどのように食事をし、どのように眠るかは、動物の種類によります。したがって、それぞれの具体的な動作は、「象」クラスや「ペンギン」クラスなどの具象クラスが提供します。

まず、”動物”を抽象クラスとして定義し、その中に”食事をする(eat)”と”眠る(sleep)”という抽象メソッドを定義します。

abstract class Animal {
    // 抽象メソッド eat
    abstract void eat();

    // 抽象メソッド sleep
    abstract void sleep();
}

次に、この抽象クラスを継承する具象クラス”Elephant”（象）と”Penguin”（ペンギン）を定義し、抽象メソッドの具体的な実装を提供します。

class Elephant extends Animal {
    // 抽象メソッドの具体的な実装
    void eat() {
        System.out.println("The elephant is eating.");
    }

    void sleep() {
        System.out.println("The elephant is sleeping.");
    }
}

class Penguin extends Animal {
    // 抽象メソッドの具体的な実装
    void eat() {
        System.out.println("The penguin is eating.");
    }

    void sleep() {
        System.out.println("The penguin is sleeping.");
    }
}

そして、それぞれのクラスのインスタンスを生成し、メソッドを呼び出す例です。

Copy code
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Elephant elephant = new Elephant();
        elephant.eat();
        elephant.sleep();

        Penguin penguin = new Penguin();
        penguin.eat();
        penguin.sleep();
    }
}

実行結果

The elephant is eating.
The elephant is sleeping.
The penguin is eating.
The penguin is sleeping.

この例では、Animalという抽象クラスが定義され、その中にeatとsleepという抽象メソッドがあります。それぞれの具体的な動作は、ElephantとPenguinという具象クラスが提供します。

抽象クラスの実装

抽象クラスは具体的な実装を持たないため、そのままではインスタンス化することができません。その代わり、具象クラスが抽象クラスを継承し、抽象メソッドを具体化（実装）することで初めて使用可能になります。

以下に、「象」クラスと「ペンギン」クラスが「動物」抽象クラスを継承し、抽象メソッドを実装する例を示します。

class Elephant extends Animal {
    void eat() {
        System.out.println("Elephant eats grass.");
    }
    void sleep() {
        System.out.println("Elephant sleeps standing up.");
    }
}

class Penguin extends Animal {
    void eat() {
        System.out.println("Penguin eats fish.");
    }
    void sleep() {
        System.out.println("Penguin sleeps with one eye open.");
    }
}

このように、抽象クラスを継承した各具象クラスでは、抽象メソッドが具体的な実装を持つようになり、それぞれの動物の特性を表現することができます。