interface.md

Интерфейс

• Интерфейс
  • Введение
  • Гибкость
  • Создание интерфейса
    • Абстрактный метод
    • Статический метод
    • Метод с реализацией по умолчанию
    • Приватный метод
    • Интерфейсы-маркеры
  • Определение свойств
  • Использование интерфейса
  • Множественное наследование в Java
    • Ромбовидное наследование
    • Разрешение конфликтов реализаций
  • Наследование интерфейсов
  • Анонимный класс, реализующий интерфейс
  • Функциональные интерфейсы
  • Заключение

Введение

Как мы уже обсуждали во введении в ООП, класс - это совокупность поведения и состояния.

Состояние - это то, какую информацию, какие данные хранит этот класс. Поведение же - это то, что мы можем ожидать при работе с классом, как с ним взаимодействовать и т.д.

В ООП понятию поведение выделена настолько большая роль, что существует специальный термин для этого - интерфейс.

Если приводить пример из жизни, то можно рассмотреть объект 'машина'. Состояние этого объекта - это материал, цвет, колеса, стекла и т.д Поведение же - это возможность открыть двери, багажник, возможность передвижения, включения фар, переключения передач и т.д

Что вы видите, когда садитесь за руль?

Скорее всего, по крайней мере так было в 2018 году, вы увидите руль, педали, рычаг коробки переключения передач и т.д. Другими словами, вы видите интерфейс взаимодействия с машиной.

Графическая составляющая программ не даром называется интерфейсом. Она определяет то, как вы будете взаимодействовать с программой, то как вы будете использовать функционал программы. То, как ведет себя программа. При этом вы можете абсолютно не знать деталей реализации интерфейса.

В случае с автомобилем вы можете абсолютно не иметь представления о том, какой мотор у вас используется, карбюратор у вас или инжектор, на каком языке написана программа, которой вы пользуетесь: вам, как обычному водителю, это не важно.

Интерфейс позволяет вам не знать деталей реализации, а просто взаимодействовать с объектом.

Точно тот же принцип используется и в программировании!

Если перенести эту мысль в область программирования, то можно сказать, что интерфейс определяет то, как мы можем использовать объект.

Другими словами:

Интерфейс - это определение функциональности, в виде определения методов и свойств, без каких либо привязок к особенностям класса.

Теперь давайте продемонстрируем ту гибкость, которую нам предоставляют интерфейсы. Для этого мы снова заглянем в святая святых - JDK.

Гибкость

Рассмотрим гибкость, которую дает нам применение интерфейсов на примере Java коллекций. Одна из самых известны и часто применяемых коллекций в программировании - это список, от английского list.

Список — это абстрактный тип данных, представляющий собой упорядоченный набор значений, в котором некоторое значение может встречаться более одного раза.

Подробнее про списки можно прочесть в википедии

Существует несколько видов реализации списка. В Java наиболее популярны две реализации: связные списки - java.util.LinkedList и списки, основанные на массивах, java.util.ArrayList.

Обе структуры данных являются списками, они представляют собой упорядоченный набор значений, каждый элемент может встречаться более одного раза. Однако, то как они хранят эти значения - различно.

Но то, что они делают - одинаково, они хранят элементы в порядке добавления, мы можем достать оттуда элемент, удалить и т.д.

Наверное вы уже начали догадываться: и java.util.LinkedList, и java.util.ArrayList предоставляют нам один интерфейс взаимодействия. Этим интерфейсом является java.util.List.

Благодаря этому можно писать более гибкий и общий код. Например, вы хотите распечатать список строк. Вы можете написать код как построенный на использовании интерфейса, так и на использовании конкретной реализации.

void print1(List<String> lst) {
    for(String s : lst) {
        System.out.println(s);
    }
}

void print2(ArrayList<String> lst) {
    for(String s : lst) {
        System.out.println(s);
    }
}

И тот, и другой способ будут работать. Однако, второй вариант написания ограничивает нас конкретной реализацией java.util.ArrayList.

Благодаря указанию в качестве параметра метода интерфейса мы можем передать в print1 любой список строк: и java.util.ArrayList, и java.util.LinkedList, и собственную реализацию списка, реализующую интерфейс java.util.List.

Чем это грозит?

Давайте опять проведем параллель с реальным миром и представим себе автомойку.

В первом случае, наша автомойка может работать со всеми автомобилями, в то время как во втором случае автомойка может работать только с автомобилем ВАЗ-2109.

Пока вы ездите на ВАЗ-2109 или пользуетесь java.util.LinkedList для вас разницы в использовании print1 и print2 нет, однако как только вы захотите использовать другую реализацию списка, то вам потребуется уже искать новую автомойку/переписывать print2.

При использовании же интерфейса вам ничего делать не надо, начали ездить на Alfa Romeo/использовать ArrayList - никаких телодвижений не требуется, все уже готово. Ведь вы ждете от объекта, с которым взаимодействуете, некоторое определенное поведение и если этот объект вам его гарантирует - вам не важно, что именно это за объект.

В этом заключается та универсальность и мощь применения интерфейсов. Если вы пользуетесь интерфейсами - вы абстрагируетесь от реализации, поэтому если у вас эта реализация изменится, то вам не потребуется переписывать ваш код.

Этот совет касается не только передаваемых в метод ссылок, но и объявления свойств в классе, переменных в методе и т.д.

В начале своего пути начинающие программисты часто пишут код вида:

class Books {
    private ArrayList<String> bookNames;
    
    // или

    public static void main(String args[]) {
        ArrayList<String> books = new ArrayList<>();
    }
}

Т.е объявляя ссылку на объект используют конкретную реализацию.

Объявляя переменную помните, что вы объявляете поведение, которое ждете от объекта. Точно также, как и в случае, когда вы передаете объект.

Какое поведение мы хотим от bookNames или books? Мы просто хотим создать ссылку на список книг! А значит нам надо использовать не ArrayList в объявлении ссылки, а просто интерфейс списка:

class Books {
    private List<String> bookNames;
    
    // или

    public static void main(String args[]) {
        List<String> books = new ArrayList<>();
    }
}

Поэтому везде, где это возможно, старайтесь пользоваться интерфейсами, передавать и возвращать их из методов, объявлять параметром класса и т.д.

И да, бывают ситуации, когда мы хотим использовать что-то более конкретное, например, в случае, когда нам нужен порядок добавления элементов в хеш-мапу, то необходимо работать с LinkedHashMap. И интерфейс Map в данном случае не подойдет.

Создание интерфейса

Для создания интерфейса используется ключевое слово interface, после которого идет название интерфейса, внутри которого происходит уже определение методов и свойств.

public interface Greeting {
    // methods
    void greeting();
}

Исходя из того, что интерфейс, это поведение не имеющее состояния, можно сделать вывод, что создается только описание метода.

Какие методы могут быть объявлены в интерфейсе:

• Абстрактные, без тела метода, Java 7+.
• Статические, Java 8+.
• С реализацией по умолчанию, Java 8+.
• Приватные, Java 9+.

По умолчанию, все методы и свойства интерфейса имеют модификатор доступа public. Что довольно логично ожидать, учитывая что цель интерфейса - это определение функционала для его последующей реализации.

Абстрактный метод

Что можно сказать об абстрактных методах в интерфейсе:

• Абстрактный метод в интерфейсе не имеет реализации.
• Модификатор доступа public.
• Является стандартным механизмом объявления функционала.

Типичный пример:

public interface Greeting {
    // methods
    void greeting();
}

Каждый класс, реализующий интерфейс Greeting добавляет себе абстрактный метод void greeting().

Класс не обязательно должен определять все абстрактные методы реализуемого интерфейса, но в таком случае он сам должен быть абстрактным классом.

public abstract class GreetingClass implements Greeting {
    // body
}

Здесь тоже все логично: мы реализовываем интерфейс, тем самым добавляем себе новый метод, так как этот метод абстрактный, то мы либо должны его определить, либо быть абстрактным классом.

Подробнее про абстрактные классы

Статический метод

Начиная с Java 8 стало возможно описание статического метода в интерфейсе. Тут все также как у обычного статического метода:

interface Printable {
    static void print(){
        System.out.println("Printable print!");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Printable.print();
    }
}

Статические методы у интерфейса очень удобны для группирования utility или factory методов.

Если вы не знаете что такое factory метод, то советую посмотреть:

• Подробнее о паттерне фабрика
• Подробнее статических методах

Если раньше такие методы выносились в отдельный класс, то теперь можно логически сгруппировать это в одном месте, как сделано, например, в java.util.stream.Stream. Где сгруппированы методы на подобие public static<T> Stream<T> of(T t) и прочее, необходимые для создания стримов.

Раньше бы потребовалось объявить интерфейс java.util.stream.Stream, а подобные фабричные методы вынести в отдельный класс, т.е 'размазать' эту логику на два файла. Сейчас можно удобно сгруппировать это в одном интерфейсе.

При этом, чтобы не было путаницы, в Java статический метод, определенный в интерфейсе можно вызвать только явно через интерфейс его содержащий.

Другими словами:

interface Printable {
    static void print() {
        System.out.println("Hello there!");
    }
}

class Test implements Printable {
    public static void main(String[] args) {
        print();   // error

        Printable printableTest = new Test();

        printableTest.print(); // error

        Printable.print(); // ok
    }
}

Метод с реализацией по умолчанию

В Java 8 добавили возможность реализации метода по умолчанию, так называемой default реализации.

Это достигается с помощью ключевого слова default.

public interface Greeting {
    // methods
    default void greeting() {
        System.out.println("Default greeting");
    }
}

Реализация по умолчанию удобна, когда большинство классов, реализующих интерфейс, будут определять метод, содержащийся в этом интерфейсе, одинаково. И в таком случае, удобно, когда вы не дублируете один и тот же кусок реализации в каждый класс, а сделали реализацию по умолчанию.

В таком случае все классы, где реализация одинакова, будут использовать то, что объявлено по умолчанию, а те классы, которым такая реализация не подходит, просто переопределят ее.

Использование методов с реализацией по умолчанию позволит избежать дублирования кода, при этом не теряется ни гибкость, ни читабельность.

Приватный метод

Начиная в Java 9 добавили возможность объявления private-методов в интерфейсе.

Если коротко, то такие методы введены для внутреннего использования, чтобы убрать повторяемость кода, которая может возникнуть в некоторых случаях.

Такие методы могут быть статическими и нестатическими, но они не могут иметь реализации по умолчанию. Такие методы обязаны быть реализованы сразу и могут использоваться только внутри самого интерфейса, в котором они определены.

Сделано это для упрощения написания кода, когда вам в интерфейсе необходимо выполнить повторяющиеся действия:

public interface Logger {

    default void logInfo(String message) {
        log(message, "INFO");
    }

    default void logWarn(String message) {
        log(message, "WARN");
    }

    default void logError(String message) {
        log(message, "ERROR");
    }

    default void logFatal(String message) {
        log(message, "FATAL");
    }

    private void log(String message, String msgPrefix) {
        // Log Message with Prefix and styles etc.
    }
    // Any other abstract, static, default methods
}

Интерфейсы-маркеры

Интерфейс может быть пустым, т.е не содержать никаких объявлений:

public interface Serializable {
}

Такие интерфейсы называются интерфейсы-маркеры.

В качестве примера можно посмотреть такие интерфейсы как java.io.Serializable, java.lang.Cloneable и java.util.EventListener.

Как следует из названия, задача интерфейса-маркера сообщить о наличии определённого поведения у объектов класса, помеченного таким интерфейсом.

Не стоит принижать значение интерфейсов-маркеров просто ввиду их 'пустоты'. Они способны оказывать серьезное влияние на производные классы, как например, java.lang.Cloneable или java.io.Serializable. Классы, реализующие java.lang.Cloneable, например, могут использовать метод clone, в то время как при отсутствии этого маркера вызов clone породит ошибку java.lang.CloneNotSupportedException!

О клонировании объектов можно прочесть тут

В интерфейсах мы можем описывать не только методы, но и свойства.

Определение свойств

Помимо методов в интерфейсах могут быть определены еще и константы.

По умолчанию поля в интерфейсах имеют модификаторы public static final, и поэтому их значение доступно из любого места вашего кода.

С одной стороны, можно считать, что константа - это тоже часть интерфейса. Поэтому и сделали возможность их добавления в интерфейс.

public interface Stateable {
    int OPEN = 1;
    int CLOSED = 0;
}

Эту возможность разработчики, особенно раньше, часто используют для хранения констант в интерфейсах и использование их в классах, реализующих такие интерфейсы.

Этот подход имеет право на жизнь, до сих пор часто встречается, но я считаю это не совсем правильным подходом, так как мне кажется, что интерфейсы предназначены не для этого.

Более удобный способ хранения констант, как и более красивый, на мой взгляд - это использование классов для констант

Мы пока не сказали ничего о том как же использовать интерфейс в Java. Давайте это исправим?

Использование интерфейса

Как вы уже знаете, ключевое слово extends используется для наследования классов. Однако, интерфейс - это не совсем класс, это только поведение, поэтому интерфейс реализуют.

Для того, чтобы реализовать интерфейс используется ключевое слово implements.

interface Logging  {
    void log();
}

class Test implements Logging {
    @Override
    public void log() {
        System.out.println("Logging");
    }
}

В отличии от наследования, класс может реализовывать несколько интерфейсов. Для этого после ключевого слова implements вы перечисляете через запятую все интерфейсы, которые реализует ваш класс:

class Test implements Serializable, Cloneable {
}

Множественное наследование в Java

В Java запрещено множественное наследование и очень часто можно встретить утверждение, что возможность реализовать несколько интерфейсов заменяет множественное наследование. Так вот, я опять таки не соглашусь с этим утверждением.

Да, вы можете реализовать несколько интерфейсов и это частично поможет вам заменить множественное наследование. Но давайте помнить, что наследование - это приобретение и поведения, и состояния.

В то время как реализация интерфейса - это приобретение только поведения.

И то, что вы можете частично заменить множественное наследование с помощью интерфейсов никак не говорит о том, что интерфейсы нужны для этого. Гвоздь микроскопом вы тоже забить можете.

Подробнее про наследование прочитать можно здесь

Ромбовидное наследование

Одна из проблем множественного наследования - это так называемая проблема ромбовидного наследования.

Если коротко описать эту проблему, то представьте, что у вас есть класс Button, он может одновременно наследуется от класса Rectangle и от класса Clickable. В свою очередь, Rectangle и Clickable наследуются от класса Object.

Если вызвать метод equals для объекта Button, и в классе Button не окажется такого метода, но в классе Object будет присутствовать метод equals по-своему переопределенный как в классе Rectangle, так и в Clickable, то какой из методов должен быть вызван?

Для ее решения в каждом из языков программирования, которые поддерживают множественное наследование, используется своя стратегия. В C++, например, используется виртуальное наследование, в Python явно определен порядок поиска таких методов в родительских классов и т.д.

В Java этой проблемы нет из-за отсутствия множественного наследования, но что если у вас есть два интерфейса, имеющих одно и то же описание метода?

Например:

interface One {
   void hello();
}

interface Two {
   void hello();
}

Что тогда? Не нарушает ли это нашу идиллию и равновесие?

Абсолютно нет! Ведь как мы уже говорили, интерфейс - это только поведение!

И если два интерфейса имеют одно и то же описание метода, то это всего лишь говорит о том, что реализующий эти интерфейсы объект должен уметь это делать. А как он будет это делать - это ответственность уже класса, реализующего интерфейсы.

Ну а что если мы с помощью default методов попробуем воспроизвести проблему с множественным наследованием?

Разрешение конфликтов реализаций

Определим интерфейс следующим образом:

interface One {
   default void hello() {
       System.out.println("Hello One!");
   }
}

Создадим класс, реализующий интерфейс One и переопределим метод hello.

class OneImpl implements One {
    @Override
    public void hello() {
       System.out.println("Hello OneImpl!");
   }
}

Как вы думаете, что будет при выполнении следующего кода:

class Test {
    public static void main(String[] args) {
        new OneImpl().hello();
    }
}

Другими словами, какая из реализаций имеет более высокий приоритет? Правильно, реализация у класса.

Соответственно, вывод будет:

Hello OneImpl!

Запомните:

Реализация у класса или у суперкласса всегда имеет более высокий приоритет, чем реализация по умолчанию в интерфейсе.

Теперь напишем еще один интерфейс Two:

interface Two extends One {
   default void hello() {
       System.out.println("Hello Two!");
   }
}

И напишем следующий класс:

class OneTwoImpl implements One, Two {
}

Еще раз обращу внимание на то, что интерфейсы Two и One связаны между собой.

Как вы думаете, какой результат выполнения кода будет:

class Test {
    public static void main(String[] args) {
        new OneTwoImpl().hello();
    }
}

Результатом будет.. Барабанная дробь...

Hello Two!

Почему так будет понятно, если мы нарисуем как связаны наши интерфейсы и класс:

Берем реализацию из Two - она наиболее явная, так как до нее ближе всего.

И это, на мой взгляд, довольно логично. Мы пытаемся вызвать метод и если не находим его реализации у текущего класса идем выше по иерархии.

Запомните:

Наибольшим приоритетом обладает наиболее явный метод, тот до которого ближе всего.

Ну и в тот момент, когда вы уже окончательно запутались и решили завязать с программированием, стоит прояснить последнюю возможную ситуацию.

Если мы добавим к прошлому примеру еще один интерфейс Three, с дефолтной реализацией метода hello:

interface Three extends One {
   default void hello() {
       System.out.println("Hello Three!");
   }
}

Достроим ромб и по сути полностью воспроизведем проблему с ромбовидным наследованием.

class OneTwoThreeImpl implements One, Two, Three {
}

Диаграмма связи будет в виде:

Будет ли валиден такой код?

Нет, такой код будет не валиден и Java вам явно скажет, что так нельзя, так как каждый из интерфейсов тянет за собой какую-то дефолтную реализацию методов. А в таком случае возникает уже рассмотренная проблема ромбовидного наследования.

И тут, в отличии от предыдущего случая, явно нельзя сказать какую из найденных реализаций выбрать - и Three, и Two на одном уровне по приоритету.

Поэтому в Java это просто запрещено и компилятор явно попросит вас реализовать этот метод в классе, реализующем интерфейсы.

Наследование интерфейсов

Java позволяет нам создать иерархию интерфейсов. Если вы хотите отнаследовать один интерфейс от другого - вы можете использовать ключевое слово extends.

Т.е один интерфейс расширяет другой, даже с точки зрения английского языка все выглядит очень логично!

interface Printable {
    void print();
}

interface Logging extends Printable {
}

class Test implements Logging {
    @Override
    public void print() {
    }
}

Таким образом, интерфейс Logging расширяет интерфейс Printable и приобретает его константы и методы, кроме статических.

Анонимный класс, реализующий интерфейс

К слову говоря, в Java существует возможность создать анонимный класс, реализующий интерфейс. Это бывает очень удобно тогда, когда объявлять именованный класс не совсем разумно, например, он будет использоваться только один раз. И вместо того, чтобы объявлять класс, придумывать ему имя, реализовывать у него нужный интерфейс и создавать в месте использования объект этого класса можно просто написать так:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Namable helloName = new Namable() {
            @Override
            public String name() {
                return "Hello";
            }
        };
    }
}

interface Namable {
    String name();
}

Удобно и коротко.

Функциональные интерфейсы

С приходом в Java функционального программирования(ФП) стало необходимо как-то объявить функцию. До этого, если вы не забыли, у нас были только методы, которые принадлежали классам.

В Java сделали поддержку ФП максимально по ООП канонам и ввели понятие функционального интерфейса.

Если у интерфейса только один абстрактный метод, то можем считать, что это функциональный интерфейс. Его принято помечать аннотацией @FunctionalInterface, которая указывает компилятору, что при обнаружении второго абстрактного метода в этом интерфейсе нужно сообщить об ошибке. При этом, default методов у интерфейса может быть несколько.

Для примера рассмотрим EventHandler:

@FunctionalInterface
public interface EventHandler<T extends Event> extends EventListener {
    void handle(T event);
}

Этот интерфейс имеет один абстрактный метод, помечен аннотацией и является функциональным интерфейсом. А это дает нам возможность использовать его в виде:

button.setOnAction(event -> // если происходит событие
   System.out.println("Обрабатываем нажатие кнопки."));

Где setOnAction выглядит в виде: void setOnAction(EventHandler<ActionEvent> value).

Вот так вот в Java ввели поддержку функций.

Заключение

Интерфейсы определяют поведение объекта, при этом не выставляя никаких требований к состоянию. Это позволяет абстрагироваться от реализации и ориентироваться только на поведение объекта, на то, что от него можно ждать и как с ним взаимодействовать.

Интерфейсы реализуются классами, при этом используется ключевое слово implements. Класс может реализовывать более одного интерфейса, техническое ограничение на количество реализуемых интерфейсов составляет 65535.

Если вам мешает это ограничение - вы делаете что-то не так.

Интерфейсы могут наследоваться друг от друга, один интерфейс может иметь несколько родительских интерфейсов.

Разумеется, интерфейс не может наследоваться от класса. Это логично, если вспомнить что класс - это и поведение, и состояние. В то время как интерфейс - это только поведение.

С некоторой точки зрения, интерфейсы позволяют обойти ограничение в множественном наследовании у классов. Помните, что реализация методов в классах имеет более высокий приоритет, чем реализация по умолчанию в интерфейсах.

Всегда держите в уме простое правило:

Использование интерфейса в качестве типа переменной или параметра метода позволяет писать более поддерживаемый, гибкий и понятный код.

Интерфейсы тесно связаны с понятием абстрактного класса, поэтому здесь мы разберем отличия абстрактного класса от интерфейса, а также когда что предпочтительнее использовать.

Также стоит познакомиться с SOLID