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Java 溯本求源之基础（三十三）——接口

article 2025/1/4 19:46:29

在 Java 中，接口（Interface）是面向对象编程的一个重要概念，它定义了一组方法的签名，但不包含方法的实现。接口是 Java 中实现多态的一种机制，它为不同类提供了相同的方法约定，并允许这些类根据需要自行实现这些方法。

接口是 Java 中非常重要的一部分，常常用于规范化类的行为，允许不同类实现相同的接口，以实现功能的多样化。接口使得类与类之间可以解耦，促进了代码的灵活性和可维护性。

1. 接口的基本概念

接口是一种特殊的引用类型，定义了一组抽象方法的集合。在 Java 中，接口只包含方法的签名，而不提供方法的具体实现。任何类都可以通过 implements 关键字来实现接口，并提供对接口方法的具体实现。

接口的定义

接口的定义使用 interface 关键字，接口中可以包含以下内容：

抽象方法：接口中的方法默认都是抽象的（在 Java 8 之前），即没有方法体。
默认方法：Java 8 引入了默认方法，它允许在接口中定义方法实现，便于向后兼容。
静态方法：接口可以包含静态方法，调用时需要通过接口名来调用。
常量：接口中可以定义常量（默认是 public static final）。

interface Animal {
    // 常量
    String SPECIES = "Unknown";
    
    // 抽象方法
    void sound();
    
    // 默认方法
    default void breathe() {
        System.out.println("Breathing...");
    }

    // 静态方法
    static void sleep() {
        System.out.println("Sleeping...");
    }
}

2. 接口的实现

类通过 implements 关键字实现接口，并为接口中的抽象方法提供实现。一个类可以实现多个接口，这为 Java 提供了多重继承的能力。

类实现接口的基本语法

class Dog implements Animal {
    // 实现接口的方法
    public void sound() {
        System.out.println("Woof");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog();
        dog.sound();  // 输出：Woof
        dog.breathe(); // 输出：Breathing...
        Animal.sleep(); // 输出：Sleeping...
    }
}

在这个例子中，Dog 类实现了 Animal 接口，并提供了对 sound() 方法的具体实现。同时，Dog 类继承了接口中定义的 breathe() 默认方法。

3. 接口的应用场景

接口在 Java 中有着广泛的应用，以下是常见的几种场景：

3.1 定义公共契约

接口定义了类之间共同遵守的行为规范，确保实现类遵循接口规定的方法。例如，Java 中的 List、Set、Map 等集合接口，它们定义了各种数据操作的基本契约，具体的集合类则根据需要提供不同的实现。

public interface List<E> {
    boolean add(E element);
    E get(int index);
    int size();
}

在这个例子中，List 接口定义了对集合元素的操作规范，任何类实现这个接口都需要提供 add、get、size 等方法。

3.2 多态

接口是实现多态的一种机制，接口允许不同的类通过相同的接口来实现不同的行为。这样我们可以通过接口类型的变量来操作不同的实现类实例，从而达到多态的效果。

interface Payment {
    void pay(int amount);
}

class CreditCardPayment implements Payment {
    public void pay(int amount) {
        System.out.println("Paid " + amount + " using Credit Card.");
    }
}

class PayPalPayment implements Payment {
    public void pay(int amount) {
        System.out.println("Paid " + amount + " using PayPal.");
    }
}

public class PaymentTest {
    public static void main(String[] args) {
        Payment payment = new CreditCardPayment();
        payment.pay(100); // 输出：Paid 100 using Credit Card.
        
        payment = new PayPalPayment();
        payment.pay(200); // 输出：Paid 200 using PayPal.
    }
}

在这个例子中，通过 Payment 接口的引用，指向了 CreditCardPayment 和 PayPalPayment 的不同实现，实现了多态。

3.3 解耦和灵活性

接口使得类之间可以解耦。通过接口定义行为的规范，具体实现可以变化而不影响其他部分。通过接口，系统中的组件之间的依赖关系可以最小化，模块化和扩展性得以提高。

例如，在设计一个系统时，支付功能可能有多个实现方式（如信用卡支付、PayPal 支付等）。通过定义 Payment 接口，各种支付方式可以实现该接口，而客户端代码只依赖于接口，从而可以轻松切换支付方式。

3.4 设计模式中的应用

许多设计模式基于接口来实现灵活的扩展和解耦。以下是几个常见的设计模式及其应用接口的方式：

工厂模式：接口用于定义创建对象的方法，而具体的实现类决定具体创建的产品。
策略模式：接口定义不同的策略，客户端通过接口动态选择和切换策略。
命令模式：命令接口定义操作，具体命令类实现该接口，允许动态地对请求进行封装。
观察者模式：通过接口定义观察者，多个观察者类可以实现该接口，接收事件通知。

// 以策略模式为例
interface SortingStrategy {
    void sort(int[] array);
}

class QuickSort implements SortingStrategy {
    public void sort(int[] array) {
        // 快速排序算法
        System.out.println("Sorting using Quick Sort");
    }
}

class BubbleSort implements SortingStrategy {
    public void sort(int[] array) {
        // 冒泡排序算法
        System.out.println("Sorting using Bubble Sort");
    }
}

class SortContext {
    private SortingStrategy strategy;

    public SortContext(SortingStrategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void executeSort(int[] array) {
        strategy.sort(array);
    }
}

public class StrategyPatternExample {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {5, 2, 9, 1};

        SortContext context = new SortContext(new QuickSort());
        context.executeSort(array);  // 输出：Sorting using Quick Sort

        context = new SortContext(new BubbleSort());
        context.executeSort(array);  // 输出：Sorting using Bubble Sort
    }
}

4. 接口的进阶特性

4.1 接口的继承

接口可以继承其他接口，这样就可以形成接口的继承体系。子接口不仅继承父接口的方法，还可以定义自己特有的方法。

interface Animal {
    void sound();
}

interface Mammal extends Animal {
    void walk();
}

class Dog implements Mammal {
    public void sound() {
        System.out.println("Woof");
    }

    public void walk() {
        System.out.println("Walking on four legs");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog();
        dog.sound();  // 输出：Woof
        dog.walk();   // 输出：Walking on four legs
    }
}