Объектная модель в Java

Интерфейсы

Концепция абстрактных методов позволяет предложить альтернативу множественному наследованию. В Java класс может иметь только одного родителя, поскольку при множественном наследовании могут возникать конфликты, которые запутывают объектную модель. Например, если у класса есть два родителя, которые имеют одинаковый метод с различной реализацией, то какой из них унаследует новый класс? И какая будет функциональность родительского класса, который лишился своего метода?

Все эти проблемы не возникают в том случае, если наследуются только абстрактные методы от нескольких родителей. Даже если унаследовано несколько одинаковых методов, все равно у них нет реализации и можно один раз описать тело метода, которое будет использоваться при вызове любого из этих методов.

Именно так устроены интерфейсы в Java. От них нельзя порождать объекты, но другие классы могут реализовывать их.

Объявление интерфейсов

Объявление интерфейсов очень похоже на упрощенное объявление классов.

Оно начинается с заголовка. Сначала указываются модификаторы. Интерфейс может быть объявлен как public и тогда он будет доступен для общего использования, либо модификатор доступа может не указываться, в этом случае интерфейс доступен только для типов своего пакета. Модификатор abstract для интерфейса не требуется, поскольку все интерфейсы являются абстрактными. Его можно указать, но делать этого не рекомендуется, чтобы не загромождать код.

Далее записывается ключевое слово interface и имя интерфейса.

После этого может следовать ключевое слово extends и список интерфейсов, от которых будет наследоваться объявляемый интерфейс. Родительских типов может быть много, главное, чтобы не было повторений и чтобы отношение наследования не образовывало циклической зависимости.

Наследование интерфейсов действительно очень гибкое. Так, если есть два интерфейса, A и B, причем B наследуется от A, то новый интерфейс C может наследоваться от них обоих. Впрочем, понятно, что указание наследования от A является избыточным, все элементы этого интерфейса и так будут получены по наследству через интерфейс B.

Затем в фигурных скобках записывается тело интерфейса.

public interface Drawable extends Colorable, 
   Resizable {
}

Тело интерфейса состоит из объявления элементов, то есть полей-констант и абстрактных методов. Все поля интерфейса должны быть public final static, так что эти модификаторы указывать необязательно и даже нежелательно, чтобы не загромождать код. Поскольку поля объявляются финальными, необходимо их сразу инициализировать.

public interface Directions {
   int RIGHT=1;
   int LEFT=2;
   int UP=3;
   int DOWN=4;
}

Все методы интерфейса являются public abstract и эти модификаторы также необязательны.

public interface Moveable {
   void moveRight();
   void moveLeft();
   void moveUp();
   void moveDown();
}

Как мы видим, описание интерфейса гораздо проще, чем объявление класса.

Реализация интерфейса

Каждый класс может реализовывать любые доступные интерфейсы. При этом в классе должны быть реализованы все абстрактные методы, появившиеся при наследовании от интерфейсов или родительского класса, чтобы новый класс мог быть объявлен неабстрактным.

Если из разных источников наследуются методы с одинаковой сигнатурой, то достаточно один раз описать реализацию и она будет применяться для всех этих методов. Однако если у них различное возвращаемое значение, то возникает конфликт:

interface A {
  int getValue();
}

interface B {
  double getValue();
}

Если попытаться объявить класс, реализующий оба эти интерфейса, то возникнет ошибка компиляции. В классе оказывается два разных метода с одинаковой сигнатурой, что является неразрешимым конфликтом. Это единственное ограничение на набор интерфейсов, которые может реализовывать класс.

Подобный конфликт с полями-константами не столь критичен:

interface A {
  int value=3;
}
interface B {
  double value=5.4;
}
class C implements A, B {
  public static void main(String s[]) {
    C c = new C();
    // System.out.println(c.value); - ошибка!
    System.out.println(((A)c).value);
    System.out.println(((B)c).value);
  }
}

Как видно из примера, обращаться к такому полю через сам класс нельзя, компилятор не сможет понять, какое из двух полей нужно использовать. Но можно с помощью явного приведения сослаться на одно из них.

Итак, если имя интерфейса указано после implements в объявлении класса, то класс реализует этот интерфейс. Наследники данного класса также реализуют интерфейс, поскольку им достаются по наследству его элементы.

Если интерфейс A наследуется от интерфейса B, а класс реализует A, то считается, что интерфейс B также реализуется этим классом по той же причине – все элементы передаются по наследству в два этапа – сначала интерфейсу A, затем классу.

Наконец, если класс C1 наследуется от класса C2, класс C2 реализует интерфейс A1, а интерфейс A1 наследуется от интерфейса A2, то класс C1 также реализует интерфейс A2.

Все это позволяет утверждать, что переменные типа интерфейс также допустимы. Они могут иметь значение null, или ссылаться на объекты, порожденные от классов, реализующих этот интерфейс. Поскольку объекты порождаются только от классов, а все они наследуются от Object, это означает, что значения типа интерфейс обладают всеми элементами класса Object.

Применение интерфейсов

До сих пор интерфейсы рассматривались с технической точки зрения – как их объявлять, какие конфликты могут возникать, как их разрешать. Однако важно понимать, как применяются интерфейсы с концептуальной точки зрения.

Распространенное мнение, что интерфейс – это полностью абстрактный класс, в целом верно, но оно не отражает всех преимуществ, которые дают интерфейсы объектной модели. Как уже отмечалось, множественное наследование порождает ряд конфликтов, но отказ от него, хоть и делает язык проще, но не устраняет ситуации, в которых требуются подобные подходы.

Возьмем в качестве примера дерева наследования классификацию живых организмов. Известно, что растения и животные принадлежат к разным царствам. Основным различием между ними является то, что растения поглощают неорганические элементы, а животные питаются органическими веществами. Животные делятся на две большие группы – птицы и млекопитающие. Предположим, что на основе этой классификации построено дерево наследования, в каждом классе определены элементы с учетом наследования от родительских классов.

Рассмотрим такое свойство живого организма, как способность питаться насекомыми. Очевидно, что это свойство нельзя приписать всей группе птиц, или млекопитающих, а тем более растений. Но существуют представители каждой из названных групп, которые этим свойством обладают, – для растений это росянка, для птиц, например, ласточки, а для млекопитающих – муравьеды. Причем, очевидно, "реализовано" это свойство у каждого вида совсем по-разному.

Можно было бы объявить соответствующий метод (скажем, consumeInsect(Insect) ) у каждого представителя независимо. Но если задача состоит в моделировании, например, зоопарка, то однотипную процедуру – кормление насекомыми – пришлось бы описывать для каждого вида отдельно, что существенно осложнило бы код, причем без какой-либо пользы.

Java предлагает другое решение. Объявляется интерфейс InsectConsumer:

public interface InsectConsumer {
   void consumeInsect(Insect i);
}

Его реализуют все подходящие животные и растения:

// росянка расширяет класс растение
public class Sundew extends 
   Plant implements InsectConsumer {
      public void consumeInsect(Insect i) {
      ...
      }
}

// ласточка расширяет класс птица
public class Swallow extends 
   Bird implements InsectConsumer {
      public void consumeInsect(Insect i) {
      ...
      }
}
// муравьед расширяет класс млекопитающее
public class AntEater extends 
   Mammal implements InsectConsumer {
      public void consumeInsect(Insect i) {
      ...
      }
}

В результате в классе, моделирующем служащего зоопарка, можно объявить соответствующий метод:

// служащий, отвечающий за кормление, 
// расширяет класс служащий
class FeedWorker extends Worker {

   // с помощью этого метода можно накормить
   // и росянку, и ласточку, и муравьеда
   public void feedOnInsects(InsectConsumer 
                             consumer) {
      ...
      consumer.consumeInsect(insect);
      ...
   }
}

В результате удалось свести работу с одним свойством трех разнородных классов в одно место, сделать код более универсальным. Обратите внимание, что при добавлении еще одного насекомоядного такая модель зоопарка не потребует никаких изменений, чтобы обслуживать новый вид, в отличие от первоначального громоздкого решения. Благодаря введению интерфейса удалось отделить классы, реализующие его (живые организмы) и использующие его (служащий зоопарка). После любых изменений этих классов при условии сохранения интерфейса их взаимодействие не нарушится.

Данный пример иллюстрирует, как интерфейсы предоставляют альтернативный, более строгий и гибкий подход вместо множественного наследования.