如何理解 Java 中接口存在的意義

0. 前言

在我自己早期學(xué)習(xí)編程的時(shí)候，對(duì)接口存在的意義實(shí)在困惑，我自己亂寫代碼的時(shí)候基本上不可能意識(shí)到需要去寫接口，不知道接口到底有什么用，為什么要定義接口，感覺(jué)定義接口只是 提前做了個(gè)多余的工作。

這里我先拋出一個(gè)形象的解釋，大家?guī)е@個(gè)解釋結(jié)合全文來(lái)理解接口存在的意義是什么：

我們把電腦主板上的內(nèi)存插槽，顯卡插槽等類比為接口，為什么在主板上搞這么多插槽呢？多浪費(fèi)機(jī)箱空間??？直接用電烙鐵把顯卡和內(nèi)存的引腳一根一根焊到主板上不就得了（手動(dòng)滑稽）。估計(jì)讀到這里大伙兒心里也大概明白了接口的大致作用，焊死了后，如果你焊錯(cuò)位置了或者拆電腦的時(shí)候，就需要使用電烙鐵進(jìn)行拆裝，多愚蠢哦。

全文脈絡(luò)思維導(dǎo)圖如下：

1. 什么是抽象類

在講解接口之前，抽象類是繞不過(guò)去的一個(gè)概念，接口可以認(rèn)為是一個(gè)比抽象類還要抽象的類。

什么是抽象類？「包含一個(gè)或多個(gè)抽象方法的類就是抽象類，抽象方法即沒(méi)有方法體的方法」，抽象方法和抽象類都必須聲明為 abstract。例如：

//?抽象類
public?abstract?class?Person?{
????//?抽象方法
?public?abstract?String?getDescription();
}

切記！「除了抽象方法之外，抽象類還可以包含具體數(shù)據(jù)和具體方法」。例如， 抽象類 Person 還保存著姓名和一個(gè)返回姓名的具體方法：

public?abstract?class?Person{
????private?String?name;
????public?Person(String?name){
?????this.name?=?name?;
????}
????public?abstract?String?getDescription();
????public?String?getName(){
?????return?name;
????}
}

?

許多程序員都會(huì)「錯(cuò)誤」的認(rèn)為，在抽象類中不能包含具體方法。其實(shí)這也是接口和抽象類的不同之處，接口中是不能包含具體方法的。

?

「抽象類不能被實(shí)例化」。也就是說(shuō)，如果將一個(gè)類聲明為 abstract, 就不能創(chuàng)建這個(gè)類的對(duì)象。

new?Person("Jack");?//?Error

可以定義一個(gè)抽象類的對(duì)象變量， 但是它只能引用非抽象子類的對(duì)象。假設(shè) Student 類是 Person 的非抽象子類：

Person?p?=?new?Student("Jack");?//?Right

所謂非抽象子類就是說(shuō)，如果創(chuàng)建一個(gè)繼承抽象類的子類并為之創(chuàng)建對(duì)象，那么就「必須為父類的所有抽象方法提供方法定義」。如果不這么做（可以選擇不做），子類仍然是一個(gè)抽象類，編譯器會(huì)強(qiáng)制我們?yōu)樾骂惣由?abstract 關(guān)鍵字。

下面定義擴(kuò)展抽象類 Person 的具體子類 Student：

public?class?Student?extends?Person?{?
????private?String?major;?
????public?Student(String?name,?String?major)?{?
????????super(name);?
????????this.major?=?major;?
????}?
????@Override
????public?String?getDescription(){?//?實(shí)現(xiàn)父類抽象方法
?????return?"a?student?majoring?in?"?+?major;?
????}?
}?

在 Student 類中實(shí)現(xiàn)了父類中的抽象方法 getDescription 。因此，「在 Student類中的全部方法都是非抽象的， 這個(gè)類不再是抽象類」。

?? 調(diào)用如下：

Person?p?=?new?Student("Jack","Computer?Science");
p.getDescription();

由于不能構(gòu)造抽象類 Person的對(duì)象， 所以變量 p 永遠(yuǎn)不會(huì)引用 Person 對(duì)象， 而是引用諸如 Student這樣的具體子類對(duì)象， 而這些對(duì)象中都重寫了 getDescription方法。

2. 什么是接口

接口的本質(zhì)其實(shí)也是一個(gè)類，而且是一個(gè)比抽象類還要抽象的類。怎么說(shuō)呢？抽象類是能夠包含具體方法的，而接口杜絕了這個(gè)可能性，「在 Java 8 之前，接口非常純粹，只能包含抽象方法，也就是沒(méi)有方法體的方法」。而 Java 8 中接口出現(xiàn)了些許的變化，開(kāi)始允許接口包含默認(rèn)方法和靜態(tài)方法，這個(gè)下文會(huì)講解。

Java 使用關(guān)鍵字 interface 而不是 class 來(lái)創(chuàng)建接口。和類一樣，通常我們會(huì)在關(guān)鍵字 interface 前加上 public 關(guān)鍵字，否則接口只有包訪問(wèn)權(quán)限，只能在接口相同的包下才能使用它。

public?interface?Concept?{
????void?idea1();
????void?idea2();
}

同樣的，接口中既然存在抽象方法，那么他就需要被擴(kuò)展（繼承）。使用 implements 關(guān)鍵字使一個(gè)類擴(kuò)展某個(gè)特定接口（或一組接口），通俗來(lái)說(shuō)：接口只是外形，現(xiàn)在這個(gè)擴(kuò)展子類要說(shuō)明它是如何工作的。

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

這里需要注意的是，你可以選擇顯式地聲明接口中的方法為 public，但是「即使你不這么做，它們也是 public 的」。所以當(dāng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)接口時(shí)，來(lái)自接口中的方法必須被定義為 public。否則，它們只有包訪問(wèn)權(quán)限，這樣在被繼承時(shí)，它們的可訪問(wèn)權(quán)限就被降低了，這是 Java 編譯器所不允許的。

另外，接口中是允許出現(xiàn)常量的，與接口中的方法都自動(dòng)地被設(shè)置為 public—樣，「接口中的域?qū)⒈蛔詣?dòng)被設(shè)置為 public static final 類型」，例如：

public?interface?Concept?{
?void?idea1();?//?public?void?idea1();
????//?靜態(tài)屬性
?double?item?=?95;?//?a?public?static?final?constant
}

?

可以將接口方法標(biāo)記為 public，將域標(biāo)記為 public static final。有些程序員出于習(xí)慣或提高清晰度的考慮， 愿意這樣做。但 Java 語(yǔ)言規(guī)范卻「建議不要書寫這些多余的關(guān)鍵字」。

?

3. 接口的特性

接口和類其中不同的一點(diǎn)就是，我們「無(wú)法像類一樣使用 new 運(yùn)算符來(lái)實(shí)例化一個(gè)接口」：

x?=?new?Concept(.?.?.);?//?ERROR

原因也很簡(jiǎn)單，接口連具體的構(gòu)造方法都沒(méi)有，肯定是無(wú)法實(shí)例化的。

當(dāng)然， 盡管不能構(gòu)造接口的對(duì)象，聲明接口的變量還是可以的：

Concept?x;?//?OK

接口變量必須引用實(shí)現(xiàn)了接口的類對(duì)象：

x?=?new?Implementation(.?.?.);?//?OK?provided?Implementation?implements?Concept

接下來(lái)， 如同使用 instanceof 檢查一個(gè)對(duì)象是否屬于某個(gè)特定類一樣， 也可以使用 instanceof檢查一個(gè)對(duì)象是否實(shí)現(xiàn)了某個(gè)特定的接口：

if(x?instanceof?Concept){
?...
}

另外，與可以建立類的繼承關(guān)系一樣，「接口也可以被繼承」：

public?interface?Concept1?{
????void?idea1();
????void?idea2();
}

-------------------------------------------
????
public?interface?Concept2?extends?Concept1{
?double?idea3();
}

當(dāng)然，讀到這里大家可能依然無(wú)法理解，既然有了抽象類，為什么 Java 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言還要不辭辛苦地引入接口這個(gè)概念？

很重磅！因?yàn)?strong style="color: rgb(239, 112, 80);">「一個(gè)類可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口，但是一個(gè)類只能繼承一個(gè)父類」。正是接口的出現(xiàn)打破了 Java 這種單繼承的局限，為定義類的行為提供了極大的靈活性。

class?Implementation?implements?Concept1,?Concept2?//?OK

有一條實(shí)際經(jīng)驗(yàn)：在合理的范圍內(nèi)盡可能地抽象。顯然，接口比抽象類還要抽象。因此，一般更傾向使用接口而不是抽象類。

4. Java 8 接口新特性

上文提過(guò)一嘴，「在 Java 8 中，允許在接口中增加靜態(tài)方法和默認(rèn)方法」。理論上講，沒(méi)有任何理由認(rèn)為這是不合法的，只是這有違于將接口作為抽象規(guī)范的初衷。舉個(gè)例子：

public?interface?Concept?{
????//?靜態(tài)方法
?public?static?void?get(String?name){
?????System.out.println("hello?"?+?name);
????}
????//?默認(rèn)方法
????default?void?idea1(){
????????System.out.println("this?is?idea1");
????};
}

用 default 修飾符標(biāo)記的方法就是默認(rèn)方法，這樣子類就不需要去實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法了。

不過(guò)，引入默認(rèn)方法后，就出現(xiàn)了一個(gè)「默認(rèn)方法沖突」的問(wèn)題。如果先在一個(gè)接口 A 中將一個(gè)方法 idea 定義為默認(rèn)方法， 然后又在另一個(gè)接口 B 或者超類 C 中定義了同樣的方法 ?idea，然后類 D 實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)接口 A 和 B（或超類 C）。于是類 D 中就有了方法 idea 的兩個(gè)默認(rèn)實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了沖突，為此，Java 制定了一套規(guī)則來(lái)解決這個(gè)二義性問(wèn)題：

1 ) ?「超類優(yōu)先」。如果超類提供了一個(gè)具體方法，接口中的同名且有相同參數(shù)類型的默認(rèn)方法會(huì)被忽略。

2 ) ?「接口沖突」。如果一個(gè)父類接口提供了一個(gè)默認(rèn)方法，另一個(gè)父類接口也提供了一個(gè)同名而且參數(shù)類型相同的方法，子類必須覆蓋這個(gè)方法來(lái)解決沖突。例如：

interface?A?{
?default?void?idea(){
??System.out.println("this?is?A");
?}
}

interface?B?{
?default?void?idea(){
??System.out.println("this?is?B");
?}
}

//?需要在?D?類中覆蓋?idea?方法
class?D?implements?A,?B{
????public?void?getName(){
?????System.out.println("this?is?D");
????}
}

現(xiàn)在假設(shè) B接口沒(méi)有為 idea 提供默認(rèn)實(shí)現(xiàn)：

interface?B?{
?void?idea();
}

那么 D 類會(huì)直接從 A 接口繼承默認(rèn)方法嗎？這好像挺有道理， 不過(guò)，Java 設(shè)計(jì)者更強(qiáng)調(diào)一致性。兩個(gè)接口如何沖突并不重要，「只要有一個(gè)接口提供了一個(gè)默認(rèn)實(shí)現(xiàn)，編譯器就會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤， 我們就必須解決這個(gè)二義性」。

當(dāng)然，如果兩個(gè)接口都沒(méi)有為共享方法提供默認(rèn)實(shí)現(xiàn)， 那么就與 Java 8 之前的情況一樣，這里不存在沖突。

5. 接口存在的意義

在我自己早期學(xué)習(xí)編程的時(shí)候，對(duì)接口存在的意義實(shí)在困惑，我自己亂寫代碼的時(shí)候基本上不可能意識(shí)到需要去寫接口，不知道接口到底有什么用，為什么要定義接口，感覺(jué)定義接口只是提前做了個(gè)多余的工作。

其實(shí)不是，定義接口并非多余，「接口是用來(lái)提供公用的方法，規(guī)定子類的行為的」。舉個(gè)例子，讓大家直觀的感受下接口的作用：

比如有個(gè)網(wǎng)站， 需要保存不同客戶的信息， 有些客戶從 Web 網(wǎng)站來(lái)， 有些客戶從手機(jī)客戶端來(lái)， 有些客戶直接從后臺(tái)管理系統(tǒng)錄入。假設(shè)不同來(lái)源的客戶有不同的處理業(yè)務(wù)流程， 這個(gè)時(shí)候我們定義接口來(lái)提供一個(gè)保存客戶信息的方法，然后不同的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)我們這個(gè)保存客戶信息的接口，以后保存客戶信息的話， 我們只需要知道這個(gè)接口就可以了，具體調(diào)用的方法被封裝成了黑盒子，這也就是 Java 的多態(tài)的體現(xiàn)，「接口幫助我們對(duì)這些有相同功能的方法做了統(tǒng)一管理」。

再比如說(shuō)，我們要做一個(gè)畫板程序，其中里面有一個(gè)面板類，主要負(fù)責(zé)繪畫功能，然后你就定義了這個(gè)類，可是在不久的將來(lái)，你突然發(fā)現(xiàn)這個(gè)類滿足不了你了，然后你又要重新設(shè)計(jì)這個(gè)類，更糟糕是你可能要廢棄這個(gè)現(xiàn)有的類，那么其他引用這個(gè)類的地方也需要做出修改，顯然這樣非常麻煩。

如果你一開(kāi)始定義了一個(gè)接口，把繪畫功能放在這個(gè)接口里，然后定義類時(shí)實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口，那么你只需要用這個(gè)接口去引用實(shí)現(xiàn)它的類就行了，以后要修改的話只不過(guò)是引用另一個(gè)類而已。「接口的使用提高了代碼的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性」。

另外，從這兩個(gè)例子我們也能看出，接口不僅「降低了代碼的耦合度」，而且僅僅描敘了程序?qū)ν獾姆?wù)，不涉及任何具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，這樣也就比較「安全」一些。

參考資料

• 《Java 核心技術(shù) - 卷 1 基礎(chǔ)知識(shí) - 第 10 版》
• 《Thinking In Java（Java 編程思想）- 第 4 版》

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