《OnJava》-- 接口

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描述 Java 8 之前的接口更加容易,因为它们只允许抽象方法。像下面这样:
// interfaces/PureInterface.java
// Interface only looked like this before Java 8
public interface PureInterface {
    int m1(); 
    void m2();
    double m3();
}
  • Java 8之前我们可以这么说:interface 关键字产生一个完全抽象的类,没有提供任何实现。我们只能描述类应该像什么,做什么,但不能描述怎么做,即只能决定方法名、参数列表和返回类型,但是无法确定方法体。接口只提供形式,通常来说没有实现,尽管在某些受限制的情况下可以有实现。
  • Java 8 中接口稍微有些变化,因为 Java 8 允许接口包含默认方法和静态方法。


使用关键字 interface 而不是 class 来创建接口。和类一样,需要在关键字 interface 前加上 public 关键字(但只是在接口名与文件名相同的情况下),否则接口只有包访问权限,只能在接口相同的包下才能使用它。

接口同样可以包含属性,这些属性被隐式指明为 staticfinal

使用 implements 关键字使一个类遵循某个特定接口(或一组接口),它表示:接口只是外形,现在我要说明它是如何工作的。除此之外,它看起来像继承。

// interfaces/ImplementingAnInterface.java
interface Concept { // Package access
    void idea1();
    void idea2();
}

class Implementation implements Concept {
    @Override
    public void idea1() {
        System.out.println("idea1");
    }
    
    @Override
    public void idea2() {
        System.out.println("idea2");
    }
}

你可以选择显式地声明接口中的方法为 public,但是即使你不这么做,它们也是 public 的。所以当实现一个接口时,来自接口中的方法必须被定义为 public。否则,它们只有包访问权限,这样在继承时,它们的可访问权限就被降低了,这是 Java 编译器所不允许的。


默认方法

Java 8 为关键字 default 增加了一个新的用途。

当在接口中使用它时,任何实现接口却没有定义方法的时候可以使用 default 创建的方法体。默认方法比抽象类中的方法受到更多的限制,但是非常有用。现在让我们看下如何使用:

interface InterfaceWithDefault {
    void firstMethod();
    void secondMethod();
    
    default void newMethod() {
        System.out.println("newMethod");
    }
}

关键字 default 允许在接口中提供方法实现——在 Java 8 之前被禁止。

// interfaces/Implementation2.java
public class Implementation2 implements InterfaceWithDefault {
    @Override
    public void firstMethod() {
        System.out.println("firstMethod");
    }
    
    @Override
    public void secondMethod() {
        System.out.println("secondMethod")
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        InterfaceWithDefault i = new Implementation2();
        i.firstMethod();
        i.secondMethod();
        i.newMethod();
    }
}

输出:

firstMethod
secondMethod
newMethod

尽管 Implementation2 中未定义 newMethod(),但是可以使用 newMethod() 了。

增加默认方法的极具说服力的理由是它允许在不破坏已使用接口的代码的情况下,在接口中增加新的方法。默认方法有时也被称为守卫方法或虚拟扩展方法。


接口中的静态方法

Java 8 允许在接口中添加静态方法。这么做能恰当地把工具功能置于接口中,从而操作接口,或者成为通用的工具:

// onjava/Operations.java
package onjava;
import java.util.*;

public interface Operations {
    void execute();
    
    static void runOps(Operations... ops) {
        for (Operations op: ops) {
            op.execute();
        }
    }
    
    static void show(String msg) {
        System.out.println(msg);
    }
}

这是模版方法设计模式的一个版本(在“设计模式”一章中详细描述),runOps() 是一个模版方法。runOps() 使用可变参数列表,因而我们可以传入任意多的 Operation 参数并按顺序运行它们:

// interface/Machine.java
import java.util.*;
import onjava.Operations;

class Bing implements Operations {
    @Override
    public void execute() {
        Operations.show("Bing");
    }
}

class Crack implements Operations {
    @Override
    public void execute() {
        Operations.show("Crack");
    }
}

class Twist implements Operations {
    @Override
    public void execute() {
        Operations.show("Twist");
    }
}

public class Machine {
    public static void main(String[] args) {
        Operations.runOps(
        	new Bing(), new Crack(), new Twist());
    }
}

输出:

Bing
Crack
Twist

这里展示了创建 Operations 的不同方式:一个外部类(Bing),一个匿名类,一个方法引用和 lambda 表达式——毫无疑问用在这里是最好的解决方法。

这个特性是一项改善,因为它允许把静态方法放在更合适的地方。


抽象类和接口

尤其是在 Java 8 引入 default 方法之后,选择用抽象类还是用接口变得更加令人困惑。下表做了明确的区分:

特性接口抽象类
组合新类可以组合多个接口只能继承单一抽象类
状态不能包含属性(除了静态属性,不支持对象状态)可以包含属性,非抽象方法可能引用这些属性
默认方法 和 抽象方法不需要在子类中实现默认方法。默认方法可以引用其他接口的方法必须在子类中实现抽象方法
构造器没有构造器可以有构造器
可见性隐式 public可以是 protected 或友元

抽象类仍然是一个类,在创建新类时只能继承它一个。而创建类的过程中可以实现多个接口。

有一条实际经验:尽可能地抽象。因此,更倾向使用接口而不是抽象类。只有当必要时才使用抽象类。


// interfaces/Adventure.java
// Multiple interfaces
interface CanFight {
    void fight();
}

interface CanSwim {
    void swim();
}

interface CanFly {
    void fly();
}

// 基类
class ActionCharacter {
    public void fight(){}
}

// 继承基类,实现多个接口
class Hero extends ActionCharacter implements CanFight, CanSwim, CanFly {
    public void swim() {}
    
    public void fly() {}
}

public class Adventure {
    public static void t(CanFight x) {
        x.fight();
    }
    
    public static void u(CanSwim x) {
        x.swim();
    }
    
    public staic void v(CanFly x) {
        x.fly();
    }
    
    public static void w(ActionCharacter x) {
        x.fight();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Hero h = new Hero();
        t(h); // Treat it as a CanFight
        u(h); // Treat it as a CanSwim
        v(h); // Treat it as a CanFly
        w(h); // Treat it as an ActionCharacter
    }
}

Hero 结合了具体类 ActionCharacter 和接口 CanFightCanSwimCanFly。当通过这种方式结合具体类和接口时,需要将具体类放在前面,后面跟着接口(否则编译器会报错)。

接口 CanFight 和类 ActionCharacter 中的 fight() 方法签名相同,而在类 Hero 中也没有提供 fight() 的定义。可以扩展一个接口,但是得到的是另一个接口。当想创建一个对象时,所有的定义必须首先都存在。类 Hero 中没有显式地提供 fight() 的定义,是由于该方法在类 ActionCharacter 中已经定义过,这样才使得创建 Hero 对象成为可能。

在类 Adventure 中可以看到四个方法,它们把不同的接口和具体类作为参数。当创建一个 Hero 对象时,它可以被传入这些方法中的任意一个,意味着它可以依次向上转型为每个接口。Java 中这种接口的设计方式,使得程序员不需要付出特别的努力。


接口和工厂方法模式

接口是多实现的途径,而生成符合某个接口的对象的典型方式是

工厂方法

设计模式。不同于直接调用构造器,只需调用工厂对象中的创建方法就能生成对象的实现——理论上,通过这种方式可以将接口与实现的代码完全分离,使得可以透明地将某个实现替换为另一个实现。这里是一个展示工厂方法结构的例子:

// interfaces/Factories.java
interface Service {
    void method1();
    void method2();
}

interface ServiceFactory {
    Service getService();
}

class Service1 implements Service {
    Service1() {} // Package access
    
    @Override
    public void method1() {
        System.out.println("Service1 method1");
    }
    
    @Override
    public void method2() {
        System.out.println("Service1 method2");
    }
}

class Service1Factory implements ServiceFactory {
    @Override
    public Service getService() {
        return new Service1();
    }
}

class Service2 implements Service {
    Service2() {} // Package access
    
    @Override
    public void method1() {
        System.out.println("Service2 method1");
    }
    
    @Override
    public void method2() {
        System.out.println("Service2 method2");
    }
}

class Service2Factory implements ServiceFactory {
    @Override
    public Service getService() {
        return new Service2();
    }
}

public class Factories {
    public static void serviceConsumer(ServiceFactory fact) {
        Service s = fact.getService();
        s.method1();
        s.method2();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        serviceConsumer(new Service1Factory());
        // Services are completely interchangeable:
        serviceConsumer(new Service2Factory());
    }
}

输出:

Service1 method1
Service1 method2
Service2 method1
Service2 method2

如果没有工厂方法,代码就必须在某处指定将要创建的 Service 的确切类型,从而调用恰当的构造器。

为什么要添加额外的间接层呢?一个常见的原因是创建框架。假设你正在创建一个游戏系统;例如,在相同的棋盘下国际象棋和西洋跳棋:

// interfaces/Games.java
// A Game framework using Factory Methods
interface Game {
    boolean move();
}

interface GameFactory {
    Game getGame();
}

class Checkers implements Game {
    private int moves = 0;
    private static final int MOVES = 3;
    
    @Override
    public boolean move() {
        System.out.println("Checkers move " + moves);
        return ++moves != MOVES;
    }
}

class CheckersFactory implements GameFactory {
    @Override
    public Game getGame() {
        return new Checkers();
    }
}

class Chess implements Game {
    private int moves = 0;
    private static final int MOVES = 4;
    
    @Override
    public boolean move() {
        System.out.println("Chess move " + moves);
        return ++moves != MOVES;
    }
}

class ChessFactory implements GameFactory {
    @Override
    public Game getGame() {
        return new Chess();
    }
}

public class Games {
    public static void playGame(GameFactory factory) {
        Game s = factory.getGame();
        while (s.move()) {
            ;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        playGame(new CheckersFactory());
        playGame(new ChessFactory());
    }
}

输出:

Checkers move 0
Checkers move 1
Checkers move 2
Chess move 0
Chess move 1
Chess move 2
Chess move 3

如果类 Games 表示一段很复杂的代码,那么这种方式意味着你可以在不同类型的游戏里复用这段代码。你可以再想象一些能够从这个模式中受益的更加精巧的游戏。