Java接口,看这一篇就够了,简单易懂

沉默王二2021年10月22日
大约 12 分钟

“今天开始讲 Java 的接口。”我对三妹说,“对于面向对象编程来说,抽象是一个极具魅力的特征。如果一个程序员的抽象思维很差,那他在编程中就会遇到很多困难,无法把业务变成具体的代码。在 Java 中,可以通过两种形式来达到抽象的目的,一种上一篇的主角——抽象类open in new window,另外一种就是今天的主角——接口。”

“二哥,开讲之前,先恭喜你呀。我看你朋友圈说《Java 程序员进阶之路》开源知识库收到了第一笔赞赏呀,虽然只有一块钱,但我也替你感到开心。”三妹的脸上洋溢着自信的微笑,仿佛这钱是打给她的一样。

“是啊,早上起来的时候看到这条信息,还真的是挺开心的,虽然只有一块钱,但是开源的第一笔,也是我人生当中的第一笔,真的非常感谢这个读者,值得纪念的一天。”我自己也掩饰不住内心的激动。

“有了这份鼓励,我相信你更新下去的动力更足了!”三妹今天说的话真的是特别令人喜欢。

“是呀是呀,让我们开始吧!”

定义接口

“接口是什么呀?”三妹顺着我的话题及时的插话到。

接口通过 interface 关键字来定义,它可以包含一些常量和方法,来看下面这个示例。

public interface Electronic {
    // 常量
    String LED = "LED";

    // 抽象方法
    int getElectricityUse();

    // 静态方法
    static boolean isEnergyEfficient(String electtronicType) {
        return electtronicType.equals(LED);
    }

    // 默认方法
    default void printDescription() {
        System.out.println("电子");
    }
}

来看一下这段代码反编译后的字节码。

public interface Electronic
{

    public abstract int getElectricityUse();

    public static boolean isEnergyEfficient(String electtronicType)
    {
        return electtronicType.equals("LED");
    }

    public void printDescription()
    {
        System.out.println("\u7535\u5B50");
    }

    public static final String LED = "LED";
}

发现没?接口中定义的所有变量或者方法,都会自动添加上 public 关键字。

接下来,我来一一解释下 Electronic 接口中的核心知识点。

1)接口中定义的变量会在编译的时候自动加上 public static final 修饰符(注意看一下反编译后的字节码),也就是说上例中的 LED 变量其实就是一个常量。

Java 官方文档上有这样的声明:

Every field declaration in the body of an interface is implicitly public, static, and final.

换句话说,接口可以用来作为常量类使用,还能省略掉 public static final,看似不错的一种选择,对吧?

不过,这种选择并不可取。因为接口的本意是对方法进行抽象,而常量接口会对子类中的变量造成命名空间上的“污染”。

2)没有使用 privatedefault 或者 static 关键字修饰的方法是隐式抽象的,在编译的时候会自动加上 public abstract 修饰符。也就是说上例中的 getElectricityUse() 其实是一个抽象方法,没有方法体——这是定义接口的本意。

3)从 Java 8 开始,接口中允许有静态方法,比如说上例中的 isEnergyEfficient() 方法。

静态方法无法由(实现了该接口的)类的对象调用,它只能通过接口名来调用,比如说 Electronic.isEnergyEfficient("LED")

接口中定义静态方法的目的是为了提供一种简单的机制,使我们不必创建对象就能调用方法,从而提高接口的竞争力。

4)接口中允许定义 default 方法也是从 Java 8 开始的,比如说上例中的 printDescription() 方法,它始终由一个代码块组成,为,实现该接口而不覆盖该方法的类提供默认实现。既然要提供默认实现,就要有方法体,换句话说,默认方法后面不能直接使用“;”号来结束——编译器会报错。

“为什么要在接口中定义默认方法呢?”三妹好奇地问到。

允许在接口中定义默认方法的理由很充分,因为一个接口可能有多个实现类,这些类就必须实现接口中定义的抽象类,否则编译器就会报错。假如我们需要在所有的实现类中追加某个具体的方法,在没有 default 方法的帮助下,我们就必须挨个对实现类进行修改。

由之前的例子我们就可以得出下面这些结论:

  • 接口中允许定义变量
  • 接口中允许定义抽象方法
  • 接口中允许定义静态方法(Java 8 之后)
  • 接口中允许定义默认方法(Java 8 之后)

除此之外,我们还应该知道:

1)接口不允许直接实例化,否则编译器会报错。

需要定义一个类去实现接口,见下例。

public class Computer implements Electronic {

    public static void main(String[] args) {
        new Computer();
    }

    @Override
    public int getElectricityUse() {
        return 0;
    }
}

然后再实例化。

Electronic e = new Computer();

2)接口可以是空的,既可以不定义变量,也可以不定义方法。最典型的例子就是 Serializable 接口,在 java.io 包下。

public interface Serializable {
}

Serializable 接口用来为序列化的具体实现提供一个标记,也就是说,只要某个类实现了 Serializable 接口,那么它就可以用来序列化了。

3)不要在定义接口的时候使用 final 关键字,否则会报编译错误,因为接口就是为了让子类实现的,而 final 阻止了这种行为。

4)接口的抽象方法不能是 private、protected 或者 final,否则编译器都会报错。

5)接口的变量是隐式 public static final(常量),所以其值无法改变。

“接口可以做什么呢?”三妹见缝插针,问的很及时。

第一,使某些实现类具有我们想要的功能,比如说,实现了 Cloneable 接口的类具有拷贝的功能,实现了 Comparable 或者 Comparator 的类具有比较功能。

Cloneable 和 Serializable 一样,都属于标记型接口,它们内部都是空的。实现了 Cloneable 接口的类可以使用 Object.clone() 方法,否则会抛出 CloneNotSupportedException。

public class CloneableTest implements Cloneable {
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        CloneableTest c1 = new CloneableTest();
        CloneableTest c2 = (CloneableTest) c1.clone();
    }
}

运行后没有报错。现在把 implements Cloneable 去掉。

public class CloneableTest {
    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }

    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
        CloneableTest c1 = new CloneableTest();
        CloneableTest c2 = (CloneableTest) c1.clone();

    }
}

运行后抛出 CloneNotSupportedException:

Exception in thread "main" java.lang.CloneNotSupportedException: com.cmower.baeldung.interface1.CloneableTest
	at java.base/java.lang.Object.clone(Native Method)
	at com.cmower.baeldung.interface1.CloneableTest.clone(CloneableTest.java:6)
	at com.cmower.baeldung.interface1.CloneableTest.main(CloneableTest.java:11)

第二,Java 原则上只支持单一继承,但通过接口可以实现多重继承的目的。

如果有两个类共同继承(extends)一个父类,那么父类的方法就会被两个子类重写。然后,如果有一个新类同时继承了这两个子类,那么在调用重写方法的时候,编译器就不能识别要调用哪个类的方法了。这也正是著名的菱形问题,见下图。

简单解释下,ClassC 同时继承了 ClassA 和 ClassB,ClassC 的对象在调用 ClassA 和 ClassB 中重写的方法时,就不知道该调用 ClassA 的方法,还是 ClassB 的方法。

接口没有这方面的困扰。来定义两个接口,Fly 接口会飞,Run 接口会跑。

public interface Fly {
    void fly();
}
public interface Run {
    void run();
}

然后让 Pig 类同时实现这两个接口。

public class Pig implements Fly,Run{
    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("会飞的猪");
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("会跑的猪");
    }
}

在某种形式上,接口实现了多重继承的目的:现实世界里,猪的确只会跑,但在雷军的眼里,站在风口的猪就会飞,这就需要赋予这只猪更多的能力,通过抽象类是无法实现的,只能通过接口。

第三,实现多态。

什么是多态呢?通俗的理解,就是同一个事件发生在不同的对象上会产生不同的结果,鼠标左键点击窗口上的 X 号可以关闭窗口,点击超链接却可以打开新的网页。

多态可以通过继承(extends)的关系实现,也可以通过接口的形式实现。

Shape 接口表示一个形状。

public interface Shape {
    String name();
}

Circle 类实现了 Shape 接口,并重写了 name() 方法。

public class Circle implements Shape {
    @Override
    public String name() {
        return "圆";
    }
}

Square 类也实现了 Shape 接口,并重写了 name() 方法。

public class Square implements Shape {
    @Override
    public String name() {
        return "正方形";
    }
}

然后来看测试类。

List<Shape> shapes = new ArrayList<>();
Shape circleShape = new Circle();
Shape squareShape = new Square();

shapes.add(circleShape);
shapes.add(squareShape);

for (Shape shape : shapes) {
    System.out.println(shape.name());
}

这就实现了多态,变量 circleShape、squareShape 的引用类型都是 Shape,但执行 shape.name() 方法的时候,Java 虚拟机知道该去调用 Circle 的 name() 方法还是 Square 的 name() 方法。

说一下多态存在的 3 个前提:

  • 1、要有继承关系,比如说 Circle 和 Square 都实现了 Shape 接口。
  • 2、子类要重写父类的方法,Circle 和 Square 都重写了 name() 方法。
  • 3、父类引用指向子类对象,circleShape 和 squareShape 的类型都为 Shape,但前者指向的是 Circle 对象,后者指向的是 Square 对象。

然后,我们来看一下测试结果:

圆
正方形

也就意味着,尽管在 for 循环中,shape 的类型都为 Shape,但在调用 name() 方法的时候,它知道 Circle 对象应该调用 Circle 类的 name() 方法,Square 对象应该调用 Square 类的 name() 方法。

04、 接口在应用中常见的三种模式

在编程领域,好的设计模式能够让我们的代码事半功倍。在使用接口的时候,经常会用到三种模式,分别是策略模式、适配器模式和工厂模式。

1)策略模式

策略模式的思想是,针对一组算法,将每一种算法封装到具有共同接口的实现类中,接口的设计者可以在不影响调用者的情况下对算法做出改变。示例如下:

// 接口:教练
interface Coach {
    // 方法:防守
    void defend();
}

// 何塞·穆里尼奥
class Hesai implements Coach {

    @Override
    public void defend() {
        System.out.println("防守赢得冠军");
    }
}

// 德普·瓜迪奥拉
class Guatu implements Coach {

    @Override
    public void defend() {
        System.out.println("进攻就是最好的防守");
    }
}

public class Demo {
    // 参数为接口
    public static void defend(Coach coach) {
        coach.defend();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        // 为同一个方法传递不同的对象
        defend(new Hesai());
        defend(new Guatu());
    }
}

Demo.defend() 方法可以接受不同风格的 Coach,并根据所传递的参数对象的不同而产生不同的行为,这被称为“策略模式”。

2)适配器模式

适配器模式的思想是,针对调用者的需求对原有的接口进行转接。生活当中最常见的适配器就是HDMI(英语:High Definition Multimedia Interface,中文:高清多媒体接口)线,可以同时发送音频和视频信号。适配器模式的示例如下:

interface Coach {
    void defend();
    void attack();
}

// 抽象类实现接口,并置空方法
abstract class AdapterCoach implements Coach {
    public void defend() {};
    public void attack() {};
}

// 新类继承适配器
class Hesai extends AdapterCoach {
    public void defend() {
        System.out.println("防守赢得冠军");
    }
}

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Coach coach = new Hesai();
        coach.defend();
    }
}

Coach 接口中定义了两个方法(defend()attack()),如果类直接实现该接口的话,就需要对两个方法进行实现。

如果我们只需要对其中一个方法进行实现的话,就可以使用一个抽象类作为中间件,即适配器(AdapterCoach),用这个抽象类实现接口,并对抽象类中的方法置空(方法体只有一对花括号),这时候,新类就可以绕过接口,继承抽象类,我们就可以只对需要的方法进行覆盖,而不是接口中的所有方法。

3)工厂模式

所谓的工厂模式理解起来也不难,就是什么工厂生产什么,比如说宝马工厂生产宝马,奔驰工厂生产奔驰,A 级学院毕业 A 级教练,C 级学院毕业 C 级教练。示例如下:

// 教练
interface Coach {
    void command();
}

// 教练学院
interface CoachFactory {
    Coach createCoach();
}

// A级教练
class ACoach implements Coach {

    @Override
    public void command() {
        System.out.println("我是A级证书教练");
    }
    
}

// A级教练学院
class ACoachFactory implements CoachFactory {

    @Override
    public Coach createCoach() {
        return new ACoach();
    }
    
}

// C级教练
class CCoach implements Coach {

    @Override
    public void command() {
        System.out.println("我是C级证书教练");
    }
    
}

// C级教练学院
class CCoachFactory implements CoachFactory {

    @Override
    public Coach createCoach() {
        return new CCoach();
    }
    
}

public class Demo {
    public static void create(CoachFactory factory) {
        factory.createCoach().command();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        // 对于一支球队来说,需要什么样的教练就去找什么样的学院
        // 学院会介绍球队对应水平的教练。
        create(new ACoachFactory());
        create(new CCoachFactory());
    }
}

有两个接口,一个是 Coach(教练),可以 command()(指挥球队);另外一个是 CoachFactory(教练学院),能 createCoach()(教出一名优秀的教练)。然后 ACoach 类实现 Coach 接口,ACoachFactory 类实现 CoachFactory 接口;CCoach 类实现 Coach 接口,CCoachFactory 类实现 CoachFactory 接口。当需要 A 级教练时,就去找 A 级教练学院;当需要 C 级教练时,就去找 C 级教练学院。

依次类推,我们还可以用 BCoach 类实现 Coach 接口,BCoachFactory 类实现 CoachFactory 接口,从而不断地丰富教练的梯队。


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