java学习笔记之面向接口编程

Java面向接口编程

前言：
一直以来，我都习惯了使用文学的阅读习惯去学习计算机这门应用工科学科，但其实没有面对实际问题的情况下，单纯的学习理论知识，用不了多久就忘了，也没法理解得深刻，可我又是个不适合专研代码的工科生，所以我也一直在寻找一种最适合自己的学习方法，发挥自己联想快，总结快的思维特点，也许现在一直还未发掘到，但希望可以在程序员的路上走得越来越轻松，也越来越开心。

下面回到正题，该怎么解释面向接口编程？

一、面向接口编程和面向对象编程是什么关系

面向接口编程和面向对象编程并不是平级的，它并不是比面向对象编程更先进的一种独立的编程思想，而是附属于面向对象思想体系，属于其一部分。或者说，它是面向对象编程体系中的思想精髓之一。

二、接口的本质

接口，在表面上是由几个没有主体代码的方法定义组成的集合体，有唯一的名称，可以被类或其他接口所实现（或者也可以说继承）。它在形式上可能是如下的样子：

interface InterfaceName{    void Method1();    void Method2(int para1);    void Method3(string para2,string para3);}

那么，接口的本质是什么呢？或者说接口存在的意义是什么。可以从以下两个视角考虑：

1）接口是一组规则的集合，它规定了实现本接口的类或接口必须拥有的一组规则。体现了自然界“如果你是……则必须能……”的理念。

例如，在自然界中，人都能吃饭，即“如果你是人，则必须能吃饭”。那么模拟到计算机程序中，就应该有一个IPerson（习惯上，接口名由“I”开头）接口，并有一个方法叫Eat()，然后我们规定，每一个表示“人”的类，必须实现IPerson接口，这就模拟了自然界“如果你是人，则必须能吃饭”这条规则。

从这里，我想各位也能看到些许面向对象思想的东西。面向对象思想的核心之一，就是模拟真实世界，把真实世界中的事物抽象成类，整个程序靠各个类的实例互相通信、互相协作完成系统功能，这非常符合真实世界的运行状况，也是面向对象思想的精髓。

2）接口是在一定粒度视图上同类事物的抽象表示。

注意这里我强调了在一定粒度视图上，因为“同类事物”这个概念是相对的，它因为粒度视图不同而不同。

例如，在我的眼里，我是一个人，和一头猪有本质区别，我可以接受我和我同学是同类这个说法，但绝不能接受我和一头猪是同类。但是，如果在一个动物学家眼里，我和猪应该是同类，因为我们都是动物，他可以认为“人”和“猪”都实现了IAnimal这个接口，而他在研究动物行为时，不会把我和猪分开对待，而会从“动物”这个较大的粒度上研究，但他会认为我和一棵树有本质区别。

现在换了一个遗传学家，情况又不同了，因为生物都能遗传，所以在他眼里，我不仅和猪没区别，和一只蚊子、一个细菌、一颗树、一个蘑菇乃至一个SARS病毒都没什么区别，因为他会认为我们都实现了IDescendable这个接口（注：descend vi. 遗传），即我们都是可遗传的东西，他不会分别研究我们，而会将所有生物作为同类进行研究，在他眼里没有人和病毒之分，只有可遗传的物质和不可遗传的物质。但至少，我和一块石头还是有区别的。

可不幸的事情发生了，某日，地球上出现了一位伟大的人，他叫列宁，他在熟读马克思、恩格斯的辩证唯物主义思想巨著后，颇有心得，于是他下了一个著名的定义：所谓物质，就是能被意识所反映的客观实在。至此，我和一块石头、一丝空气、一条成语和传输手机信号的电磁场已经没什么区别了，因为在列宁的眼里，我们都是可以被意识所反映的客观实在。如果列宁是一名程序员，他会这么说：所谓物质，就是所有同时实现了“IReflectabe”和“IEsse”两个接口的类所生成的实例。（注：reflect v. 反映 esse n. 客观实在）

也许你会觉得上面的例子像在瞎掰，但是，这正是接口得以存在的意义。

面向对象思想和核心之一叫做多态性，什么叫多态性？
说白了就是在某个粒度视图层面上对同类事物不加区别的对待而统一处理（//我记得Java的多态性体现在编译和执行的不同处理）。而之所以敢这样做，就是因为有接口的存在。

像那个遗传学家，他明白所有生物都实现了IDescendable接口，那只要是生物，一定有Descend（）这个方法，于是他就可以统一研究，而不至于分别研究每一种生物而最终累死。

三、那么什么是面向接口编程呢

个人的定义是：在系统分析和架构中，分清层次和依赖关系，每个层次不是直接向其上层提供服务（即不是直接实例化在上层中），而是通过定义一组接口，仅向上层暴露其接口功能，上层对于下层仅仅是接口依赖，而不依赖具体类。

这样做的好处是显而易见的，首先对系统灵活性大有好处。当下层需要改变时，只要接口及接口功能不变，则上层不用做任何修改。甚至可以在不改动上层代码时将下层整个替换掉，就像我们将一个WD的60G硬盘换成一个希捷的160G的硬盘，计算机其他地方不用做任何改动，而是把原硬盘拔下来、新硬盘插上就行了，因为计算机其他部分不依赖具体硬盘，而只依赖一个IDE接口，只要硬盘实现了这个接口，就可以替换上去。从这里看，程序中的接口和现实中的接口极为相似，所以我一直认为，接口（interface）这个词用的真是神似！

使用接口的另一个好处就是不同部件或层次的开发人员可以并行开工，就像造硬盘的不用等造CPU的，也不用等造显示器的，只要接口一致，设计合理，完全可以并行进行开发，从而提高效率。

核心的说：面向对象的精髓是模拟现实，这也可以说是Java学习的灵魂。所以，多从现实中思考面向对象的东西，对提高系统分析设计能力大有脾益。

3.1、关于“面向接口编程”中的“接口”与具体面向对象语言中“接口”两个词

面向对象语言中的“接口”是指具体的一种代码结构，例如C#中用interface关键字定义的接口。而“面向接口编程”中的“接口”可以说是一种从软件架构的角度、从一个更抽象的层面上指那种用于隐藏具体底层类和实现多态性的结构部件。从这个意义上说，如果定义一个抽象类，并且目的是为了实现多态，那么我认为把这个抽象类也称为“接口”是合理的。

概括来说，两个“接口”的概念既相互区别又相互联系。

“面向接口编程”中的接口是一种思想层面的用于实现多态性、提高软件灵活性和可维护性的架构部件，而具体语言中的“接口”是将这种思想中的部件具体实施到代码里的手段。

3.2、关于抽象类与接口

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如果单从具体代码来看，对这两个概念很容易模糊，甚至觉得接口就是多余的，因为单从具体功能来看，除多重继承外（C#，Java中），抽象类似乎完全能取代接口。但是，难道接口的存在是为了实现多重继承？当然不是。

抽象类和接口的区别在于使用动机。使用抽象类是为了代码的复用，而使用接口的动机是为了实现多态性。所以，如果你在为某个地方该使用接口还是抽象类而犹豫不决时，那么可以想想你的动机是什么。

例如，对IPerson这个接口的质疑，我个人的理解是，IPerson这个接口该不该定义，关键看具体应用中是怎么个情况。如果我们的项目中有Women和Man，都继承Person，而且Women和Man绝大多数方法都相同，只有一个方法DoSomethingInWC（）不同，那么当然定义一个AbstractPerson抽象类比较合理，因为它可以把其他所有方法都包含进去，子类只定义DoSomethingInWC（），大大减少了重复代码量。

但是，如果我们程序中的Women和Man两个类基本没有共同代码，而且有一个PersonHandle类需要实例化他们，并且不希望知道他们是男是女，而只需把他们当作人看待，并实现多态，那么定义成接口就有必要了。

总而言之，接口与抽象类的区别主要在于使用的动机，而不在于其本身。而一个东西该定义成抽象类还是接口，要根据具体环境的上下文决定。

再者，接口和抽象类的另一个区别在于，抽象类和它的子类之间应该是一般和特殊的关系，而接口仅仅是它的子类应该实现的一组规则。（当然，有时也可能存在一般与特殊的关系，但我们使用接口的目的不在这里）

如，交通工具定义成抽象类，汽车、飞机、轮船定义成子类，是可以接受的，因为汽车、飞机、轮船都是一种特殊的交通工具。再譬如Icomparable接口，它只是说，实现这个接口的类必须要可以进行比较，这是一条规则。如果Car这个类实现了Icomparable，只是说，我们的Car中有一个方法可以对两个Car的实例进行比较，可能是比哪辆车更贵，也可能比哪辆车更大，这都无所谓，但我们不能说“汽车是一种特殊的可以比较”，这在文法上都不通 。

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abstract class和interface是Java语言中对于抽象类定义进行支持的两种机制，正是由于这两种机制的存在，才赋予了Java强大的面向对象能力。 abstract class和interface之间在对于抽象类定义的支持方面具有很大的相似性，甚至可以相互替换，因此很多开发者在进行抽象类定义时对于 abstract class和interface的选择显得比较随意。

其实，两者之间还是有很大的区别的，对于它们的选择甚至反映出对于问题领域本质的理解、对于设计意图的理解是否正确、合理。

2.1、理解抽象类

abstract class和interface在Java语言中都是用来进行抽象类（本文中的抽象类并非从abstract class翻译而来，它表示的是一个抽象体，而abstract class为Java语言中用于定义抽象类的一种方法，请读者注意区分）定义的，那么什么是抽象类，使用抽象类能为我们带来什么好处呢？

在面向对象的概念中，我们知道所有的对象都是通过类来描绘的，但是反过来却不是 这样。并不是所有的类都是用来描绘对象的，如果一个类中没有包含足够的信息来描绘一个具体的对象，这样的类就是抽象类。抽象类往往用来表征我们在对问题领 域进行分析、设计中得出的抽象概念，是对一系列看上去不同，但是本质上相同的具体概念的抽象。

比如：如果我们进行一个图形编辑软件的开发，就会发现问题领域存在着圆、三角形 这样一些具体概念，它们是不同的，但是它们又都属于形状这样一个概念，形状这个概念在问题领域是不存在的，它就是一个抽象概念。正是因为抽象的概念在问题 领域没有对应的具体概念，所以用以表征抽象概念的抽象类是不能够实例化的。

在面向对象领域，抽象类主要用来进行类型隐藏。我们可以构造出一个固定的一组行 为的抽象描述，但是这组行为却能够有任意个可能的具体实现方式。这个抽象描述就是抽象类，而这一组任意个可能的具体实现则表现为所有可能的派生类。模块可 以操作一个抽象体。由于模块依赖于一个固定的抽象体，因此它可以是不允许修改的；同时，通过从这个抽象体派生，也可扩展此模块的行为功能。熟悉OCP的读 者一定知道，为了能够实现面向对象设计的一个最核心的原则OCP(Open-Closed Principle)，抽象类是其中的关键所在。

2.2、从语法定义层面看abstract class和interface

在语法层面，Java语言对于abstract class和interface给出了不同的定义方式，下面以定义一个名为Demo的抽象类为例来说明这种不同。使用abstract class的方式定义Demo抽象类的方式如下：

abstract class Demo ｛    abstract void method1();    abstract void method2();    …      ｝    

使用interface的方式定义Demo抽象类的方式如下：

interface Demo {    void method1();    void method2();    …    }    ｝    

在abstract class方式中，Demo可以有自己的数据成员，也可以有非abstarct的成员方法，而在interface方式的实现中，Demo只能够有静态的 不能被修改的数据成员（也就是必须是static final的，不过在interface中一般不定义数据成员），所有的成员方法都是abstract的。从某种意义上说，interface是一种特殊 形式的abstract class。

从编程的角度来看，abstract class和interface都可以用来实现”design by contract”的思想。但是在具体的使用上面还是有一些区别的。

首先，abstract class在Java语言中表示的是一种继承关系，一个类只能使用一次继承关系。但是，一个类却可以实现多个interface。也许，这是Java语言的设计者在考虑Java对于多重继承的支持方面的一种折中考虑吧。

其次，在abstract class的定义中，我们可以赋予方法的默认行为。但是在interface的定义中，方法却不能拥有默认行为，为了绕过这个限制，必须使用委托，但是这会 增加一些复杂性，有时会造成很大的麻烦。

在抽象类中不能定义默认行为还存在另一个比较严重的问题，那就是可能会造成维护上的 麻烦。因为如果后来想修改类的界面（一般通过abstract class或者interface来表示）以适应新的情况（比如，添加新的方法或者给已用的方法中添加新的参数）时，就会非常的麻烦，可能要花费很多的时 间（对于派生类很多的情况，尤为如此）。但是如果界面是通过abstract class来实现的，那么可能就只需要修改定义在abstract class中的默认行为就可以了。

同样，如果不能在抽象类中定义默认行为，就会导致同样的方法实现出现在该抽象类 的每一个派生类中，违反了”one rule，one place”原则，造成代码重复，同样不利于以后的维护。因此，在abstract class和interface间进行选择时要非常的小心。

2.3、从设计理念层面看abstract class和interface

上面主要从语法定义和编程的角度论述了abstract class和interface的区别，这些层面的区别是比较低层次的、非本质的。本文将从另一个层面：abstract class和interface所反映出的设计理念，来分析一下二者的区别。作者认为，从这个层面进行分析才能理解二者概念的本质所在。

前面已经提到过，abstarct class在Java语言中体现了一种继承关系，要想使得继承关系合理，父类和派生类之间必须存在”is a”关系，即父类和派生类在概念本质上应该是相同的。对于interface 来说则不然，并不要求interface的实现者和interface定义在概念本质上是一致的，仅仅是实现了interface定义的契约而已。为了使 论述便于理解，下面将通过一个简单的实例进行说明。

考虑这样一个例子，假设在我们的问题领域中有一个关于Door的抽象概念，该Door具有执行两个动作open和close，此时我们可以通过abstract class或者interface来定义一个表示该抽象概念的类型，定义方式分别如下所示：

使用abstract class方式定义Door：

abstract class Door {    abstract void open();    abstract void close()；    }    

使用interface方式定义Door：

interface Door {    void open();    void close();    }    

其他具体的Door类型可以extends使用abstract class方式定义的Door或者implements使用interface方式定义的Door。看起来好像使用abstract class和interface没有大的区别。

如果现在要求Door还要具有报警的功能。我们该如何设计针对该例子的类结构呢（在 本例中，主要是为了展示abstract class和interface反映在设计理念上的区别，其他方面无关的问题都做了简化或者忽略）下面将罗列出可能的解决方案，并从设计理念层面对这些不 同的方案进行分析。

解决方案一：

简单的在Door的定义中增加一个alarm方法，如下：

interface Door {    void open();    void close();    void alarm();      }    

那么具有报警功能的AlarmDoor的定义方式如下：

class AlarmDoor extends Door {    void open() { … }    void close() { … }    void alarm() { … }    }    

或者

class AlarmDoor implements Door ｛    void open() { … }    void close() { … }    void alarm() { … }    ｝    

这种方法违反了面向对象设计中的一个核心原则ISP（Interface Segregation Priciple），在Door的定义中把Door概念本身固有的行为方法和另外一个概念”报警器”的行为方法混在了一起。这样引起的一个问题是那些仅仅 依赖于Door这个概念的模块会因为”报警器”这个概念的改变（比如：修改alarm方法的参数）而改变，反之依然。

解决方案二：

既然open、close和alarm属于两个不同的概念，根据ISP原则应该把它 们分别定义在代表这两个概念的抽象类中。定义方式有：这两个概念都使用abstract class方式定义；两个概念都使用interface方式定义；一个概念使用abstract class方式定义，另一个概念使用interface方式定义。

显然，由于Java语言不支持多重继承，所以两个概念都使用abstract class方式定义是不可行的。后面两种方式都是可行的，但是对于它们的选择却反映出对于问题领域中的概念本质的理解、对于设计意图的反映是否正确、合理。我们一一来分析、说明。

如果两个概念都使用interface方式来定义，那么就反映出两个问题：

1、我们可能没有理解清楚问题领域，AlarmDoor在概念本质上到底是Door还是报警器？

2、如果我们对于问题领域的理解没有问题，比如：我们通过对于问题领域的分析发现 AlarmDoor在概念本质上和Door是一致的，那么我们在实现时就没有能够正确的揭示我们的设计意图，因为在这两个概念的定义上（均使用 interface方式定义）反映不出上述含义。

如果我们对于问题领域的理解是：AlarmDoor在概念本质上是Door，同 时它有具有报警的功能。我们该如何来设计、实现来明确的反映出我们的意思呢？前面已经说过，abstract class在Java语言中表示一种继承关系，而继承关系在本质上是”is a”关系。所以对于Door这个概念，我们应该使用abstarct class方式来定义。另外，AlarmDoor又具有报警功能，说明它又能够完成报警概念中定义的行为，所以报警概念可以通过interface方式定 义。如下所示：

abstract class Door {    abstract void open();    abstract void close()；    }    interface Alarm {    void alarm();    }    class AlarmDoor extends Door implements Alarm {    void open() { … }    void close() { … }    void alarm() { … }    }    

这种实现方式基本上能够明确的反映出我们对于问题领域的理解，正确的揭示我们的设计 意图。其实abstract class表示的是”is a”关系，interface表示的是”like a”关系，大家在选择时可以作为一个依据，当然这是建立在对问题领域的理解上的，比如：如果我们认为AlarmDoor在概念本质上是报警器，同时又具有 Door的功能，那么上述的定义方式就要反过来了。

abstract class和interface是Java语言中的两种定义抽象类的方式，它们之间有很大的相似性。但是对于它们的选择却又往往反映出对于问题领域中的概 念本质的理解、对于设计意图的反映是否正确、合理，因为它们表现了概念间的不同的关系（虽然都能够实现需求的功能）。这其实也是语言的一种的惯用法。

总结几句话来说：

1、抽象类和接口都不能直接实例化，如果要实例化，抽象类变量必须指向实现所有抽象方法的子类对象，接口变量必须指向实现所有接口方法的类对象。

2、抽象类要被子类继承，接口要被类实现。

3、接口只能做方法申明，抽象类中可以做方法申明，也可以做方法实现

4、接口里定义的变量只能是公共的静态的常量，抽象类中的变量是普通变量。

5、抽象类里的抽象方法必须全部被子类所实现，如果子类不能全部实现父类抽象方法，那么该子类只能是抽象类。同样，一个实现接口的时候，如不能全部实现接口方法，那么该类也只能为抽象类。

6、抽象方法只能申明，不能实现。abstract void abc();不能写成abstract void abc(){}。

7、抽象类里可以没有抽象方法

8、如果一个类里有抽象方法，那么这个类只能是抽象类

9、抽象方法要被实现，所以不能是静态的，也不能是私有的。

10、接口可继承接口，并可多继承接口，但类只能单根继承。

特别是对于公用的实现代码，抽象类有它的优点。抽象类能够保证实现的层次关系，避免代码重复。然而，即使在使用抽 象类的场合，也不要忽视通过接口定义行为模型的原则。从实践的角度来看，如果依赖于抽象类来定义行为，往往导致过于复杂的继承关系，而通过接口定义行为能 够更有效地分离行为与实现，为代码的维护和修改带来方便。

四、通过简单的例子说明

1、 建立一个接口类，并声明一系列的方法（规则）

/**  * 定义PCI接口,定义主板PCI插槽规范  * @author xiaodeng  *  */  public interface PCI {    void start();    void stop();}

2、定义业务层

/**  * 通过这个方法,主板上可以插入任何实现PCI接口规范的卡  *   * @param pci 参数类型为接口,任何实现接口的类都可以传进来.  */  public class MainBoard {public void usePCICard(PCI pci){    pci.start();    pci.stop();    }}

3、定义符合接口规范的具体类
3.1 显卡类：

/**  * 通过这个方法,主板上可以插入任何实现PCI接口规范的卡  *   * @param pci 参数类型为接口,任何实现接口的类都可以传进来.  */  public class MainBoard {public void usePCICard(PCI pci){    pci.start();    pci.stop();    }}

3.2 网卡类：

/**  * 网卡实现PCI接口规范  * @author xiaodeng  *  */  public class NetworkCard implements PCI{    public void start()    {        System.out.println("send..start");    }    public void stop()    {        System.out.println("network stop");    }}

4、具体实现对接业务层：

public class Assembler {      public static void main(String[] args) {              MainBoard mb=new MainBoard();               //在主板上插入网卡             mb.usePCICard(new NetworkCard());               //自己调用start()和stop()方法           //在主板上插入声卡              mb.usePCICard(new SoundCard());               //在主板上插入显卡              mb.usePCICard(new GraphicCard());   }}