如何理解 Java 中接口存在的意义

飞天小牛肉

发布于 2021-02-26 14:19:56

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发布于 2021-02-26 14:19:56

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0. 前言

在我自己早期学习编程的时候，对接口存在的意义实在困惑，我自己乱写代码的时候基本上不可能意识到需要去写接口，不知道接口到底有什么用，为什么要定义接口，感觉定义接口只是提前做了个多余的工作。

这里我先抛出一个形象的解释，大家带着这个解释结合全文来理解接口存在的意义是什么：

我们把电脑主板上的内存插槽，显卡插槽等类比为接口，为什么在主板上搞这么多插槽呢？多浪费机箱空间啊？直接用电烙铁把显卡和内存的引脚一根一根焊到主板上不就得了（手动滑稽）。估计读到这里大伙儿心里也大概明白了接口的大致作用，焊死了后，如果你焊错位置了或者拆电脑的时候，就需要使用电烙铁进行拆装，多愚蠢哦。

全文脉络思维导图如下：

1. 什么是抽象类

在讲解接口之前，抽象类是绕不过去的一个概念，接口可以认为是一个比抽象类还要抽象的类。

什么是抽象类？「包含一个或多个抽象方法的类就是抽象类，抽象方法即没有方法体的方法」，抽象方法和抽象类都必须声明为 abstract。例如：

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

切记！「除了抽象方法之外，抽象类还可以包含具体数据和具体方法」。例如，抽象类 Person 还保存着姓名和一个返回姓名的具体方法：

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

❝许多程序员都会「错误」的认为，在抽象类中不能包含具体方法。其实这也是接口和抽象类的不同之处，接口中是不能包含具体方法的。 ❞

「抽象类不能被实例化」。也就是说，如果将一个类声明为 abstract, 就不能创建这个类的对象。

new Person("Jack"); // Error

可以定义一个抽象类的对象变量，但是它只能引用非抽象子类的对象。假设 Student 类是 Person 的非抽象子类：

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

所谓非抽象子类就是说，如果创建一个继承抽象类的子类并为之创建对象，那么就「必须为父类的所有抽象方法提供方法定义」。如果不这么做（可以选择不做），子类仍然是一个抽象类，编译器会强制我们为新类加上 abstract 关键字。

下面定义扩展抽象类 Person 的具体子类 Student：

public class Student extends Person { 
    private String major; 
    public Student(String name, String major) { 
        super(name); 
        this.major = major; 
    } 
    @Override
    public String getDescription(){ // 实现父类抽象方法
     return "a student majoring in " + major; 
    } 
}

在 Student 类中实现了父类中的抽象方法 getDescription 。因此，「在 Student类中的全部方法都是非抽象的，这个类不再是抽象类」。

? 调用如下：

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

由于不能构造抽象类 Person的对象，所以变量 p 永远不会引用 Person 对象，而是引用诸如 Student这样的具体子类对象，而这些对象中都重写了 getDescription方法。

2. 什么是接口

接口的本质其实也是一个类，而且是一个比抽象类还要抽象的类。怎么说呢？抽象类是能够包含具体方法的，而接口杜绝了这个可能性，「在 Java 8 之前，接口非常纯粹，只能包含抽象方法，也就是没有方法体的方法」。而 Java 8 中接口出现了些许的变化，开始允许接口包含默认方法和静态方法，这个下文会讲解。

Java 使用关键字 interface 而不是 class 来创建接口。和类一样，通常我们会在关键字 interface 前加上 public 关键字，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。

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

同样的，接口中既然存在抽象方法，那么他就需要被扩展（继承）。使用 implements 关键字使一个类扩展某个特定接口（或一组接口），通俗来说：接口只是外形，现在这个扩展子类要说明它是如何工作的。

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

这里需要注意的是，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，这样在被继承时，它们的可访问权限就被降低了，这是 Java 编译器所不允许的。

另外，接口中是允许出现常量的，与接口中的方法都自动地被设置为 public—样，「接口中的域将被自动被设置为 public static final 类型」，例如：

public interface Concept {
 void idea1(); // public void idea1();
    // 静态属性
 double item = 95; // a public static final constant
}

❝可以将接口方法标记为 public，将域标记为 public static final。有些程序员出于习惯或提高清晰度的考虑，愿意这样做。但 Java 语言规范却「建议不要书写这些多余的关键字」。 ❞

3. 接口的特性

接口和类其中不同的一点就是，我们「无法像类一样使用 new 运算符来实例化一个接口」：

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

原因也很简单，接口连具体的构造方法都没有，肯定是无法实例化的。

当然，尽管不能构造接口的对象，声明接口的变量还是可以的：

Concept x; // OK

接口变量必须引用实现了接口的类对象：

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

接下来，如同使用 instanceof 检查一个对象是否属于某个特定类一样，也可以使用 instanceof检查一个对象是否实现了某个特定的接口：

if(x instanceof Concept){
 ...
}

另外，与可以建立类的继承关系一样，「接口也可以被继承」：

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

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

当然，读到这里大家可能依然无法理解，既然有了抽象类，为什么 Java 程序设计语言还要不辞辛苦地引入接口这个概念？

很重磅！因为「一个类可以实现多个接口，但是一个类只能继承一个父类」。正是接口的出现打破了 Java 这种单继承的局限，为定义类的行为提供了极大的灵活性。

class Implementation implements Concept1, Concept2 // OK

有一条实际经验：在合理的范围内尽可能地抽象。显然，接口比抽象类还要抽象。因此，一般更倾向使用接口而不是抽象类。

4. Java 8 接口新特性

上文提过一嘴，「在 Java 8 中，允许在接口中增加静态方法和默认方法」。理论上讲，没有任何理由认为这是不合法的，只是这有违于将接口作为抽象规范的初衷。举个例子：

public interface Concept {
    // 静态方法
 public static void get(String name){
     System.out.println("hello " + name);
    }
    // 默认方法
    default void idea1(){
        System.out.println("this is idea1");
    };
}

用 default 修饰符标记的方法就是默认方法，这样子类就不需要去实现这个方法了。

不过，引入默认方法后，就出现了一个「默认方法冲突」的问题。如果先在一个接口 A 中将一个方法 idea 定义为默认方法，然后又在另一个接口 B 或者超类 C 中定义了同样的方法 idea，然后类 D 实现了这两个接口 A 和 B（或超类 C）。于是类 D 中就有了方法 idea 的两个默认实现，出现了冲突，为此，Java 制定了一套规则来解决这个二义性问题：

1 ) 「超类优先」。如果超类提供了一个具体方法，接口中的同名且有相同参数类型的默认方法会被忽略。

2 ) 「接口冲突」。如果一个父类接口提供了一个默认方法，另一个父类接口也提供了一个同名而且参数类型相同的方法，子类必须覆盖这个方法来解决冲突。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 类中覆盖 idea 方法
class D implements A, B{
    public void getName(){
     System.out.println("this is D");
    }
}

现在假设 B接口没有为 idea 提供默认实现：

interface B {
 void idea();
}

那么 D 类会直接从 A 接口继承默认方法吗？这好像挺有道理，不过，Java 设计者更强调一致性。两个接口如何冲突并不重要，「只要有一个接口提供了一个默认实现，编译器就会报告错误，我们就必须解决这个二义性」。

当然，如果两个接口都没有为共享方法提供默认实现，那么就与 Java 8 之前的情况一样，这里不存在冲突。

5. 接口存在的意义

其实不是，定义接口并非多余，「接口是用来提供公用的方法，规定子类的行为的」。举个例子，让大家直观的感受下接口的作用：

比如有个网站，需要保存不同客户的信息，有些客户从 Web 网站来，有些客户从手机客户端来，有些客户直接从后台管理系统录入。假设不同来源的客户有不同的处理业务流程，这个时候我们定义接口来提供一个保存客户信息的方法，然后不同的平台实现我们这个保存客户信息的接口，以后保存客户信息的话，我们只需要知道这个接口就可以了，具体调用的方法被封装成了黑盒子，这也就是 Java 的多态的体现，「接口帮助我们对这些有相同功能的方法做了统一管理」。