5.0 第5章类的扩展 5.1 接口的本质

发表于 2021-12-04 更新于 2021-12-08 分类于 9 Java编程的逻辑， 2第二部分面向对象，第5章类的扩展 Waline：本文字数： 8.1k 阅读时长 ≈ 7 分钟

第5章类的扩展

之前我们一直在说，程序主要就是数据以及对数据的操作，而为了方便操作数据，高级语言引入了数据类型的概念。Java定义了8种基本数据类型，而类相当于是自定义数据类型，通过类的组合和继承可以表示和操作各种事物或者说对象。

除了基本的数据类型和类概念，还有一些扩展概念，包括接口、抽象类、内部类和枚举。上一章我们提到，继承有其两面性，替代继承的一种方式是使用接口，接口到底是什么呢？此外，介于接口和类之间，还有一个概念：抽象类，它又是什么呢？一个类可以定义在另一个类内部，称为内部类，为什么要有内部类，它到底是什么呢？枚举是一种特殊的数据类型，它有什么用呢？本章就来探讨这些概念，先来看接口。

5.1 接口的本质

在之前的章节中，我们一直在强调数据类型的概念，但只是将对象看作属于某种数据类型，并按该类型进行操作，在一些情况下，并不能反映对象以及对对象操作的本质。

为什么这么说呢？很多时候，我们实际上关心的，并不是对象的类型，而是对象的能力，只要能提供这个能力，类型并不重要。我们来看一些生活中的例子。

比如要拍照，很多时候，只要能拍出符合需求的照片就行，至于是用手机拍，还是用Pad拍，或者是用单反相机拍，并不重要，即关心的是对象是否有拍出照片的能力，而并不关心对象到底是什么类型，手机、Pad或单反相机都可以。

又如要计算一组数字，只要能计算出正确结果即可，至于是由人心算，用算盘算，用计算器算，用计算机软件算，并不重要，即关心的是对象是否有计算的能力，而并不关心对象到底是算盘还是计算器。

再如要将冷水加热，只要能得到热水即可，至于是用电磁炉加热，用燃气灶加热，还是用电热水壶加热，并不重要，即重要的是对象是否有加热水的能力，而并不关心对象到底是什么类型。

在这些情况中，类型并不重要，重要的是能力。那如何表示能力呢？接口。下面就来详细介绍接口，包括其概念、用法、一些细节，以及如何用接口替代继承。

5.1.1 接口的概念

接口这个概念在生活中并不陌生，电子世界中一个常见的接口就是USB接口。计算机往往有多个USB接口，可以插各种USB设备，如键盘、鼠标、U盘、摄像头、手机等。

接口声明了一组能力，但它自己并没有实现这个能力，它只是一个约定。接口涉及交互两方对象，一方需要实现这个接口，另一方使用这个接口，但双方对象并不直接互相依赖，它们只是通过接口间接交互，如图5-1所示。

拿上面的USB接口来说，USB协议约定了USB设备需要实现的能力，每个USB设备都需要实现这些能力，计算机使用USB协议与USB设备交互，计算机和USB设备互不依赖，但可以通过USB接口相互交互。下面我们来看Java中的接口。

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图5-1 接口的概念

5.1.2 定义接口

我们通过一个例子来说明Java中接口的概念。这个例子是“比较”，很多对象都可以比较，对于求最大值、求最小值、排序的程序而言，它们其实并不关心对象的类型是什么，只要对象可以比较就可以了，或者说，它们关心的是对象有没有可比较的能力。Java API中提供了Comparable接口，以表示可比较的能力，但它使用了泛型，而我们还没有介绍泛型，所以本节先自己定义一个Comparable接口，叫MyComparable。

首先来定义这个接口，代码如下：

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public interface MyComparable {
    int compareTo(Object other);
}

定义接口的代码解释如下：
1）Java使用interface这个关键字来声明接口，修饰符一般都是public。
2）interface后面就是接口的名字MyComparable。
3）接口定义里面，声明了一个方法compareTo，但没有定义方法体，Java 8之前，接口内不能实现方法。接口方法不需要加修饰符，加与不加相当于都是publicabstract。

再来解释compareTo方法：
1）方法的参数是一个Object类型的变量other，表示另一个参与比较的对象。
2）第一个参与比较的对象是自己。
3）返回结果是int类型，-1表示自己小于参数对象，0表示相同，1表示大于参数对象。

接口与类不同，它的方法没有实现代码。定义一个接口本身并没有做什么，也没有太大的用处，它还需要至少两个参与者：一个需要实现接口，另一个使用接口。我们先来实现接口。

5.1.3 实现接口

类可以实现接口，表示类的对象具有接口所表示的能力。在此以上一章介绍过的Point类来说明。我们让Point具备可以比较的能力，Point之间怎么比较呢？我们假设按照与原点的距离进行比较，Point类代码如代码清单5-1所示。

代码清单5-1 Point类代码：实现了MyComparable

public class Point implements MyComparable {
    private int x;
    private int y;
    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
    public double distance(){
        return Math.sqrt(x＊x+y＊y);
    }
    @Override
    public int compareTo(Object other) {
        if(! (other instanceof Point)){
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        Point otherPoint = (Point)other;
        double delta = distance() - otherPoint.distance();
        if(delta<0){
            return -1;
        }else if(delta>0){
            return 1;
        }else{
            return 0;
        }
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "("+x+", "+y+")";
    }
}

代码解释如下：
1）Java使用implements这个关键字表示实现接口，前面是类名，后面是接口名。
2）实现接口必须要实现接口中声明的方法，Point实现了compareTo方法。

再来解释Point的compareTo实现。
1）Point不能与其他类型的对象进行比较，它首先检查要比较的对象是否是Point类型，如果不是，使用throw抛出一个异常，异常将在下一章介绍，此处可以忽略。
2）如果是Point类型，则使用强制类型转换将Object类型的参数other转换为Point类型的参数otherPoint。
3）这种显式的类型检查和强制转换是可以使用泛型机制避免的，第8章我们再介绍泛型。

一个类可以实现多个接口，表明类的对象具备多种能力，各个接口之间以逗号分隔，语法如下所示：

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public class Test implements Interface1, Interface2 {
    // 主体代码
}

定义和实现了接口，接下来我们来看怎么使用接口。

5.1.4 使用接口

与类不同，接口不能new，不能直接创建一个接口对象，对象只能通过类来创建。但可以声明接口类型的变量，引用实现了接口的类对象。比如，可以这样：

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MyComparable p1 = new Point(2,3);
MyComparable p2 = new Point(1,2);
System.out.println(p1.compareTo(p2));

p1和p2是MyComparable类型的变量，但引用了Point类型的对象，之所以能赋值是因为Point实现了MyComparable接口。如果一个类型实现了多个接口，那么这种类型的对象就可以被赋值给任一接口类型的变量。p1和p2可以调用MyComparable接口的方法，也只能调用MyComparable接口的方法，实际执行时，执行的是具体实现类的代码。

为什么Point类型的对象非要赋值给MyComparable类型的变量呢？在以上代码中，确实没必要。但在一些程序中，代码并不知道具体的类型，这才是接口发挥威力的地方。我们来看下面使用MyComparable接口的例子，如代码清单5-2所示。

代码清单5-2 使用MyComparable的示例：CompUtil

public class CompUtil {
    public static Object max(MyComparable[] objs){
        if(objs==null||objs.length==0){
            return null;
        }
        MyComparable max = objs[0];
        for(int i=1; i<objs.length; i++){
            if(max.compareTo(objs[i])<0){
                max = objs[i];
            }
        }
        return max;
    }
    public static void sort(Comparable[] objs){
        for(int i=0; i<objs.length; i++){
            int min = i;
            for(int j=i+1; j<objs.length; j++){
                if(objs[j].compareTo(objs[min])<0){
                    min = j;
                }
            }
            if(min!=i){
                 Comparable temp = objs[i];
                 objs[i] = objs[min];
                 objs[min] = temp;
            }
        }
    }
}

类CompUtil提供了两个方法，max获取传入数组中的最大值，sort对数组升序排序，参数都是MyComparable类型的数组，sort使用的是简单选择排序，具体算法我们就不介绍了。

可以看出，这个类是针对MyComparable接口编程，它并不知道具体的类型是什么，也并不关心，但却可以对任意实现了MyComparable接口的类型进行操作。我们来看如何对Point类型进行操作，代码如下：

Point[] points = new Point[]{
        new Point(2,3), new Point(3,4), new Point(1,2)
};
System.out.println("max: " + CompUtil.max(points));
CompUtil.sort(points);
System.out.println("sort: "+ Arrays.toString(points));

以上代码创建了一个Point类型的数组points，然后使用CompUtil的max方法获取最大值，使用sort排序，并输出结果，输出如下：

1 2	max: (3,4) sort: [(1,2), (2,3), (3,4)]

这里演示的是对Point数组操作，实际上可以针对任何实现了MyComparable接口的类型数组进行操作。这就是接口的威力，可以说，针对接口而非具体类型进行编程，是计算机程序的一种重要思维方式。接口很多时候反映了对象以及对对象操作的本质。它的优点有很多，首先是代码复用，同一套代码可以处理多种不同类型的对象，只要这些对象都有相同的能力，如CompUtil。

接口更重要的是降低了耦合，提高了灵活性。使用接口的代码依赖的是接口本身，而非实现接口的具体类型，程序可以根据情况替换接口的实现，而不影响接口使用者。解决复杂问题的关键是分而治之，将复杂的大问题分解为小问题，但小问题之间不可能一点关系没有，分解的核心就是要降低耦合，提高灵活性，接口为恰当分解提供了有力的工具。

5.1.5 接口的细节

前面介绍了接口的基本内容，接口还有一些细节，包括：

接口中的变量。
接口的继承。
类的继承与接口。
instanceof。

下面具体介绍。

（1）接口中的变量

接口中可以定义变量，语法如下所示：

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public interface Interface1 {
    public static final int a = 0;
}

这里定义了一个变量int a，修饰符是public static final，但这个修饰符是可选的，即使不写，也是public static final。这个变量可以通过“接口名．变量名”的方式使用，如Interface1.a。

（2）接口的继承

接口也可以继承，一个接口可以继承其他接口，继承的基本概念与类一样，但与类不同的是，接口可以有多个父接口，代码如下所示：

public interface IBase1 {
    void method1();
}
public interface IBase2 {
    void method2();
}
public interface IChild extends IBase1, IBase2 {
}

IChild有IBase1和IBase2两个父类，接口的继承同样使用extends关键字，多个父接口之间以逗号分隔。

（3）类的继承与接口

类的继承与接口可以共存，换句话说，类可以在继承基类的情况下，同时实现一个或多个接口，语法如下所示：

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public class Child extends Base implements IChild {
  //主体代码
}

关键字extends要放在implements之前。

（4）instanceof

与类一样，接口也可以使用instanceof关键字，用来判断一个对象是否实现了某接口，例如：

Point p = new Point(2,3);
if(p instanceof MyComparable){
    System.out.println("comparable");
}

5.1.6 使用接口替代继承

上一章我们提到，可以使用组合和接口替代继承。怎么替代呢？

继承至少有两个好处：一个是复用代码；另一个是利用多态和动态绑定统一处理多种不同子类的对象。使用组合替代继承，可以复用代码，但不能统一处理。使用接口替代继承，针对接口编程，可以实现统一处理不同类型的对象，但接口没有代码实现，无法复用代码。将组合和接口结合起来替代继承，就既可以统一处理，又可以复用代码了。

我们还是以4.4节的例子来说明，先增加一个接口IAdd，代码如下：

public interface IAdd {
    void add(int number);
    void addAll(int[] numbers);
}

修改Base代码，让它实现IAdd接口，代码基本不变：

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public class Base implements IAdd {
    //主体代码，与代码清单4-10一样
}

修改Child代码，也是实现IAdd接口，代码基本不变：

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public class Child implements IAdd {
    //主体代码，组合使用Base，与代码清单4-12一样
}

Child复用了Base的代码，又都实现了IAdd接口，这样，既复用代码，又可以统一处理，还不用担心破坏封装。

5.1.7 Java 8和Java 9对接口的增强

需要说明的是，前面介绍的都是Java 8之前的接口概念，Java 8和Java 9对接口做了一些增强。在Java 8之前，接口中的方法都是抽象方法，都没有实现体，Java 8允许在接口中定义两类新方法：静态方法和默认方法，它们有实现体，比如：

public interface IDemo {
    void hello();
    public static void test() {
        System.out.println("hello");
    }
    default void hi() {
        System.out.println("hi");
    }
}

test()就是一个静态方法，可以通过IDemo.test()调用。在接口不能定义静态方法之前，相关的静态方法往往定义在单独的类中，比如，Java API中，Collection接口有一个对应的单独的类Collections，在Java 8中，就可以直接写在接口中了，比如Comparator接口就定义了多个静态方法。

hi()是一个默认方法，用关键字default表示。默认方法与抽象方法都是接口的方法，不同在于，默认方法有默认的实现，实现类可以改变它的实现，也可以不改变。引入默认方法主要是函数式数据处理的需求，是为了便于给接口增加功能。关于函数式数据处理，会在第26章介绍。

在没有默认方法之前，Java是很难给接口增加功能的，比如List接口（第9章介绍），因为有太多非Java JDK控制的代码实现了该接口，如果给接口增加一个方法，则那些接口的实现就无法在新版Java上运行，必须改写代码，实现新的方法，这显然是无法接受的。函数式数据处理需要给一些接口增加一些新的方法，所以就有了默认方法的概念，接口增加了新方法，而接口现有的实现类也不需要必须实现。看一些例子，List接口增加了sort方法，其定义为：

default void sort(Comparator<? super E> c) {
    Object[] a = this.toArray();
    Arrays.sort(a, (Comparator) c);
    ListIterator<E> i = this.listIterator();
    for(Object e : a) {
        i.next();
        i.set((E) e);
    }
}

Collection接口增加了stream方法，其定义为：

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default Stream<E> stream() {
    return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
}

在Java 8中，静态方法和默认方法都必须是public的，Java 9去除了这个限制，它们都可以是private的，引入private方法主要是为了方便多个静态或默认方法复用代码，比如：

public interface IDemoPrivate {
    private void common() {
        System.out.println("common");
    }
    default void actionA() {
        common();
    }
    default void actionB() {
        common();
    }
}

这里，actionA和actionB两个默认方法共享了相同的common()方法的代码。

5.1.8 小结

本节我们谈了数据类型思维的局限，提到了很多时候关心的是能力，而非类型，所以引入了接口，介绍了Java中接口的概念和细节。针对接口编程是一种重要的程序思维方式，这种方式不仅可以复用代码，还可以降低耦合，提高灵活性，是分解复杂问题的一种重要工具。

接口不能创建对象，没有任何实现代码（Java 8之前），而之前介绍的类都有完整的实现，都可以创建对象。Java中还有一个介于接口和类之间的概念：抽象类，它有什么用呢？

第5章 类的扩展