十、接口（2）

本章概要

抽象类和接口
完全解耦
多接口结合
使用继承扩展接口
- 结合接口时的命名冲突

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 “friendly”

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：在合理的范围内尽可能地抽象。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。除非必须使用，否则不要用接口和抽象类。大多数时候，普通类已经做得很好，如果不行的话，再移动到接口或抽象类中。

完全解耦

每当一个方法与一个类而不是接口一起工作时(当方法的参数是类而不是接口)，你只能应用那个类或它的子类。如果你想把这方法应用到一个继承层次之外的类，是做不到的。接口在很大程度上放宽了这个限制，因而使用接口可以编写复用性更好的代码。

例如有一个类 Processor 有两个方法 name() 和 process()。process() 方法接受输入，修改并输出。把这个类作为基类用来创建各种不同类型的 Processor。下例中，Processor 的各个子类修改 String 对象（注意，返回类型可能是协变类型而非参数类型）：

// interfaces/Applicator.java
import java.util.*;

class Processor {
    public String name() {
        return getClass().getSimpleName();
    }
    
    public Object process(Object input) {
        return input;
    }
}

class Upcase extends Processor {
    // 返回协变类型
    @Override 
    public String process(Object input) {
        return ((String) input).toUpperCase();
    }
}

class Downcase extends Processor {
    @Override
    public String process(Object input) {
        return ((String) input).toLowerCase();
    }
}

class Splitter extends Processor {
    @Override
    public String process(Object input) {
        // split() divides a String into pieces:
        return Arrays.toString(((String) input).split(" "));
    }
}

public class Applicator {
    public static void apply(Processor p, Object s) {
        System.out.println("Using Processor " + p.name());
        System.out.println(p.process(s));
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        String s = "We are such stuff as dreams are made on";
        apply(new Upcase(), s);
        apply(new Downcase(), s);
        apply(new Splitter(), s);
    }
}

输出：

Using Processor Upcase
WE ARE SUCH STUFF AS DREAMS ARE MADE ON
Using Processor Downcase
we are such stuff as dreams are made on
Using Processor Splitter
[We, are, such, stuff, as, dreams, are, made, on]

Applicator 的 apply() 方法可以接受任何类型的 Processor，并将其应用到一个 Object 对象上输出结果。像本例中这样，创建一个能根据传入的参数类型从而具备不同行为的方法称为_策略_设计模式。方法包含算法中不变的部分，策略包含变化的部分。策略就是传入的对象，它包含要执行的代码。在这里，Processor 对象是策略，main() 方法展示了三种不同的应用于 String s 上的策略。

split() 是 String 类中的方法，它接受 String 类型的对象并以传入的参数作为分割界限，返回一个数组 String[]。在这里用它是为了更快地创建 String 数组。

假设现在发现了一组电子滤波器，它们看起来好像能使用 Applicator 的 apply() 方法：

public class Waveform {
    private static long counter;
    private final long id = counter++;
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Waveform " + id;
    }
}

public class Filter {
    public String name() {
        return getClass().getSimpleName();
    }
    
    public Waveform process(Waveform input) {
        return input;
    }
}

public class LowPass extends Filter {
    double cutoff;
    
    public LowPass(double cutoff) {
        this.cutoff = cutoff;
    }
    
    @Override
    public Waveform process(Waveform input) {
        return input; // Dummy processing 哑处理
    }
}

public class HighPass extends Filter {
    double cutoff;
    
    public HighPass(double cutoff) {
        this.cutoff = cutoff;
    }
    
    @Override
    public Waveform process(Waveform input) {
        return input;
    }
}

public class HighPass extends Filter {
    double cutoff;
    
    public HighPass(double cutoff) {
        this.cutoff = cutoff;
    }
    
    @Override
    public Waveform process(Waveform input) {
        return input;
    }
}

public class BandPass extends Filter {
    double lowCutoff, highCutoff;
    
    public BandPass(double lowCut, double highCut) {
        lowCutoff = lowCut;
        highCutoff = highCut;
    }
    
    @Override
    public Waveform process(Waveform input) {
        return input;
    }
}

Filter 类与 Processor 类具有相同的接口元素，但是因为它不是继承自 Processor —— 因为 Filter 类的创建者根本不知道你想将它当作 Processor 使用 —— 因此你不能将 Applicator 的 apply() 方法应用在 Filter 类上，即使这样做也能正常运行。主要是因为 Applicator 的 apply() 方法和 Processor 过于耦合，这阻止了 Applicator 的 apply() 方法被复用。另外要注意的一点是 Filter 类中 process() 方法的输入输出都是 Waveform。

但如果 Processor 是一个接口，那么限制就会变得松动到足以复用 Applicator 的 apply() 方法，用来接受那个接口参数。下面是修改后的 Processor 和 Applicator 版本：

public interface Processor {
    default String name() {
        return getClass().getSimpleName();
    }
    
    Object process(Object input);
}

public class Applicator {
    public static void apply(Processor p, Object s) {
        System.out.println("Using Processor " + p.name());
        System.out.println(p.process(s));
    }
}

复用代码的第一种方式是客户端程序员遵循接口编写类，像这样：

// interfaces/interfaceprocessor/StringProcessor.java
// {java interfaces.interfaceprocessor.StringProcessor}
package interfaces.interfaceprocessor;
import java.util.*;

interface StringProcessor extends Processor {
    @Override
    String process(Object input); // [1]
    String S = "If she weighs the same as a duck, she's made of wood"; // [2]
    
    static void main(String[] args) { // [3]
        Applicator.apply(new Upcase(), S);
        Applicator.apply(new Downcase(), S);
        Applicator.apply(new Splitter(), S);
    }
}

class Upcase implements StringProcessor {
    // 返回协变类型
    @Override
    public String process(Object input) {
        return ((String) input).toUpperCase();
    }
}

class Downcase implements StringProcessor {
    @Override
    public String process(Object input) {
        return ((String) input).toLowerCase();
    }
}

class Splitter implements StringProcessor {
    @Override
    public String process(Object input) {
        return Arrays.toString(((String) input).split(" "));
    }
}

输出：

Using Processor Upcase
IF SHE WEIGHS THE SAME AS A DUCK, SHE'S MADE OF WOOD
Using Processor Downcase
if she weighs the same as a duck, she's made of wood
Using Processor Splitter
[If, she, weighs, the, same, as, a, duck,, she's, made, of, wood]

[1] 该声明不是必要的，即使移除它，编译器也不会报错。但是注意这里的协变返回类型从 Object 变成了 String。

[2] S 自动就是 final 和 static 的，因为它是在接口中定义的。

[3] 可以在接口中定义 main() 方法。

这种方式运作得很好，然而你经常遇到的情况是无法修改类。例如在电子滤波器的例子中，类库是被发现而不是创建的。在这些情况下，可以使用_适配器_设计模式。适配器允许代码接受已有的接口产生需要的接口，如下：

// interfaces/interfaceprocessor/FilterProcessor.java
// {java interfaces.interfaceprocessor.FilterProcessor}
package interfaces.interfaceprocessor;
import interfaces.filters.*;

class FilterAdapter implements Processor {
    Filter filter;
    
    FilterAdapter(Filter filter) {
        this.filter = filter;
    }
    
    @Override
    public String name() {
        return filter.name();
    }
    
    @Override
    public Waveform process(Object input) {
        return filter.process((Waveform) input);
    }
}

public class FilterProcessor {
    public static void main(String[] args) {
        Waveform w = new Waveform();
        Applicator.apply(new FilterAdapter(new LowPass(1.0)), w);
        Applicator.apply(new FilterAdapter(new HighPass(2.0)), w);
        Applicator.apply(new FilterAdapter(new BandPass(3.0, 4.0)), w);
    }
}

输出：

Using Processor LowPass
Waveform 0
Using Processor HighPass
Waveform 0
Using Processor BandPass
Waveform 0

在这种使用适配器的方式中，FilterAdapter 的构造器接受已有的接口 Filter，继而产生需要的 Processor 接口的对象。你可能还注意到 FilterAdapter 中使用了委托。

协变允许我们从 process() 方法中产生一个 Waveform 而非 Object 对象。

将接口与实现解耦使得接口可以应用于多种不同的实现，因而代码更具可复用性。

多接口结合

接口没有任何实现——也就是说，没有任何与接口相关的存储——因此无法阻止结合的多接口。这是有价值的，因为你有时需要表示“一个 x 是一个 a 和一个 b 以及一个 c”。

在这里插入图片描述

派生类并不要求必须继承自抽象的或“具体的”（没有任何抽象方法）的基类。如果继承一个非接口的类，那么只能继承一个类，其余的基元素必须都是接口。需要将所有的接口名称置于 implements 关键字之后且用逗号分隔。可以有任意多个接口，并可以向上转型为每个接口，因为每个接口都是独立的类型。下例展示了一个由多个接口组合而成的具体类产生的新类：

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

interface CanSwim {
    void swim();
}

interface CanFly {
    void fly();
}

class ActionCharacter {
    public void fight(){}
}

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 static 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
    }
}

类 Hero 结合了具体类 ActionCharacter 和接口 CanFight、CanSwim 和 CanFly。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。

记住，前面例子展示了使用接口的核心原因之一：为了能够向上转型为多个基类型（以及由此带来的灵活性）。然而，使用接口的第二个原因与使用抽象基类相同：防止客户端程序员创建这个类的对象，确保这仅仅只是一个接口。这带来了一个问题：应该使用接口还是抽象类呢？如果创建不带任何方法定义或成员变量的基类，就选择接口而不是抽象类。事实上，如果知道某事物是一个基类，可以考虑用接口实现它（这个主题在本章总结会再次讨论）。

使用继承扩展接口

通过继承，可以很容易在接口中增加方法声明，还可以在新接口中结合多个接口。这两种情况都可以得到新接口，如下例所示：

// interfaces/HorrorShow.java
// Extending an interface with inheritance
interface Monster {
    void menace();
}

interface DangerousMonster extends Monster {
    void destroy();
}

interface Lethal {
    void kill();
}

class DragonZilla implements DangerousMonster {
    @Override
    public void menace() {}
    
    @Override
    public void destroy() {}
}

interface Vampire extends DangerousMonster, Lethal {
    void drinkBlood();
}

class VeryBadVampire implements Vampire {
    @Override
    public void menace() {}
    
    @Override
    public void destroy() {}
    
    @Override
    public void kill() {}
    
    @Override
    public void drinkBlood() {}
}

public class HorrorShow {
    static void u(Monster b) {
        b.menace();
    }
    
    static void v(DangerousMonster d) {
        d.menace();
        d.destroy();
    }
    
    static void w(Lethal l) {
        l.kill();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        DangerousMonster barney = new DragonZilla();
        u(barney);
        v(barney);
        Vampire vlad = new VeryBadVampire();
        u(vlad);
        v(vlad);
        w(vlad);
    }
}

接口 DangerousMonster 是 Monster 简单扩展的一个新接口，类 DragonZilla 实现了这个接口。

Vampire 中使用的语法仅适用于接口继承。通常来说，extends 只能用于单一类，但是在构建接口时可以引用多个基类接口。注意到，接口名之间用逗号分隔。

结合接口时的命名冲突

当实现多个接口时可能会存在一个小陷阱。在前面的例子中，CanFight 和 ActionCharacter 具有完全相同的 fight() 方法。完全相同的方法没有问题，但是如果它们的签名或返回类型不同会怎么样呢？这里有一个例子：

// interfaces/InterfaceCollision.java
interface I1 {
    void f();
}

interface I2 {
    int f(int i);
}

interface I3 {
    int f();
}

class C {
    public int f() {
        return 1;
    }
}

class C2 implements I1, I2 {
    @Override
    public void f() {}
    
    @Override
    public int f(int i) {
        return 1;  // 重载
    }
}

class C3 extends C implements I2 {
    @Override
    public int f(int i) {
        return 1; // 重载
    }
}

class C4 extends C implements I3 {
    // 完全相同，没问题
    @Override
    public int f() {
        return 1;
    }
}

// 方法的返回类型不同
//- class C5 extends C implements I1 {}
//- interface I4 extends I1, I3 {}

覆写、实现和重载令人不快地搅和在一起带来了困难。同时，重载方法仅根据返回类型是区分不了的。当不注释最后两行时，报错信息如下：

error: C5 is not abstract and does not override abstract
method f() in I1
class C5 extends C implements I1 {}
error: types I3 and I1 are incompatible; both define f(),
but with unrelated return types
interfacce I4 extends I1, I3 {}

当打算组合接口时，在不同的接口中使用相同的方法名通常会造成代码可读性的混乱，尽量避免这种情况。