接口

本文为书籍《Java编程的逻辑》¹和《剑指Java：核心原理与应用实践》²阅读笔记

很多时候，我们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。

1.1 接口的概念

接口这个概念在生活中并不陌生，比如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，如下图所示。

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。java的接口就类似USB协议，接口实现类类似于鼠标等USB设备，而接口使用类类似于电脑。

接口扩展了继承，降低了耦合性。继承中类和子类之间是is-a的关系，接口中类和接口是like-a 或has-a的关系。

1.2 接口定义

我们定义一个用于比较的接口，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，本节我们定义一个MyComparable接口，用于实现和Comparable接口一样的功能。首先来定义这个接口，代码如下：

package com.ieening.learnInterface;public interface MyComaprable {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public abstract。

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。

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。以自定义Point类举例。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类代码如下所示。

package com.ieening.learnInterface;public class Point implements MyComaprable { // 注释1private int x;public int getX() {return x;}public void setX(int x) {this.x = x;}private int y;public int getY() {return y;}public void setY(int y) {this.y = y;}public Point(int x, int y) {this.x = x;this.y = y;}public double distance() {return Math.sqrt(x * x + y * y);}@Overridepublic int compareTo(Object other) { // 注释2if (other instanceof Point) { // 注释3Point otherPoint = (Point) other; // 注释4double delta = distance() - otherPoint.distance();if (delta < 0) {return -1;} else if (delta > 0) {return 1;} else {return 0;}} else {throw new IllegalArgumentException(other.toString() + " is not instanceof " + this.getClass().getName());}}@Overridepublic String toString() {return "Point [x=" + x + ", y=" + y + "]";}
}

代码解释如下：

1. 注释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. 注释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. 注释3：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。
2. 注释4：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。

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：

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

1.4 使用接口

与类不同，接口不能新建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：

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，代码如下所示：

package com.ieening.learnInterface;import java.util.Objects;public class CompareUtil {public static Object max(MyComaprable[] objs) {if (Objects.isNull(objs) || objs.length == 0) {return null;}MyComaprable 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(MyComaprable[] objs) {if (!(Objects.isNull(objs) || objs.length == 0)) {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) {MyComaprable 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，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：

package com.ieening;import static org.junit.Assert.assertTrue;import org.junit.Test;import com.ieening.learnInterface.CompareUtil;
import com.ieening.learnInterface.MyComaprable;
import com.ieening.learnInterface.Point;public class TestCompareUtil {@Testpublic void testMax() {MyComaprable[] points = new MyComaprable[] { (MyComaprable) new Point(1, 2), (MyComaprable) new Point(2, 1),(MyComaprable) new Point(1, 1), (MyComaprable) new Point(-1, -3) };Point point = (Point) CompareUtil.max(points);assertTrue(point.compareTo(new Point(-1, -3)) == 0);}@Testpublic void testSort() {MyComaprable[] points = new MyComaprable[] { (MyComaprable) new Point(1, 2), (MyComaprable) new Point(2, 1),(MyComaprable) new Point(1, 1), (MyComaprable) new Point(-1, -3) };CompareUtil.sort(points);for (MyComaprable point : points) {System.out.println((Point) point);}}
}

以上代码创建了一个Point类型的数组points，然后使用CompareUtil的max方法获取最大值，使用sort排序，并输出结果。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。这就是接口的魅力，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CompareUtil。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。

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：

1. 接口中的变量。
2. 接口的继承。
3. 类的继承与接口。
4. instanceof。

1、接口中的变量

接口中也可以定义变量，语法如下所示：

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：

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

关键字extends要放在implements之前。

4、instanceof

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");
}

1.6 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。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，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：

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

因为类可以继承以及实现接口，那么，当父类的方法和接口中默认方法有相同的函数签名时，那么实例对象调用该方法时，最终执行的是父类的，还是接口的？

答案：执行的是父类的，遵循父类优先原则。

B类实现了多个接口。如果多个接口中出现了方法签名相同的默认方法，那么访问通过B类的实例对象调用该方法，最终执行的是哪个接口？

答案：要求类B必须重写该方法，否则产生编译错误。方法重写后调用方法时执行的一定是重写后的方法体。

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

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

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1. 马俊昌.Java编程的逻辑[M].北京:机械工业出版社,2018. ↩︎

2. 尚硅谷教育.剑指Java：核心原理与应用实践[M].北京:电子工业出版社,2023. ↩︎