電腦程式的思維邏輯 (19)，思維邏輯

電腦程式的思維邏輯 (19)，思維邏輯

資料類型的局限

之前我們一直在說，程式主要就是資料以及對資料的操作，而為了方便操作資料，進階語言引入了資料類型的概念，Java定義了八種基礎資料型別 (Elementary Data Type)，而類相當於是自訂資料類型，通過類的組合和繼承可以表示和操作各種事物或者說對象。

但，這種只是將對象看做屬於某種資料類型，並按該類型進行操作，在一些情況下，並不能反映對象以及對對象操作的本質。

為什麼這麼說呢？很多時候，我們實際上關心的，並不是對象的類型，而是對象的能力，只要能提供這個能力，類型並不重要。我們來看一些生活中的例子。

要拍個照片，很多時候，只要能拍出符合需求的照片就行，至於是用手機拍，還是用Pad拍，或者是用單反相機拍，並不重要，關心的是對象是否有拍出照片的能力，而並不關心對象到底是什麼類型，手機、Pad或單反相機都可以。

要計算一組數字，只要能計算出正確結果即可，至於是由人心算，用算盤算，用計算機算，用電腦軟體算，並不重要，關心的是對象是否有計算的能力，而並不關心對象到底是算盤還是計算機。

要將冷水加熱，只要能得到熱水即可，至於是用電磁爐加熱，用燃氣灶加熱，還是用電熱水壺，並不重要，重要的是對象是否有加熱水的能力，而並不關心對象到底是什麼類型。

在這些情況中，類型並不重要，重要的是能力。那如何表示能力呢？

介面的概念

Java使用介面這個概念來表示能力。

介面這個概念在生活中並不陌生，電子世界中一個常見的介面就是USB介面。電腦往往有多個USB介面，可以插各種USB裝置，可以是鍵盤、滑鼠、隨身碟、網路攝影機、手機等等。

介面聲明了一組能力，但它自己並沒有實現這個能力，它只是一個約定，它涉及互動兩方對象，一方需要實現這個介面，另一方使用這個介面，但雙方對象並不直接互相依賴，它們只是通過介面間接互動。圖示如下：

拿上面的USB介面來說，USB協議約定了USB裝置需要實現的能力，每個USB裝置都需要實現這些能力，電腦使用USB協議與USB裝置互動，電腦和USB裝置互不依賴，但可以通過USB介面相互互動。

下面我們來看Java中的介面。

定義介面

我們通過一個例子來說明Java中介面的概念。

這個例子是"比較"，很多個物件都可以比較，對於求最大值、求最小值、排序的程式而言，它們其實並不關心對象的類型是什麼，只要對象可以比較就可以了，或者說，它們關心的是對象有沒有可比較的能力。Java API中提供了Comparable介面，以表示可比較的能力，但它使用了泛型，而我們還沒有介紹泛型，所以本節，我們自己定義一個Comparable介面，叫MyComparable。

現在，首先，我們來定義這個介面，代碼如下：

public interface MyComparable {    int compareTo(Object other);}

解釋一下：

• Java使用interface這個關鍵字來聲明介面，修飾符一般都是public。
• interface後面就是介面的名字MyComparable。
• 介面定義裡面，聲明了一個方法compareTo，但沒有定義方法體，介面都不實現方法。介面方法不需要加修飾符，加與不加都是public的，不能是別的修飾符。

再來解釋一下compareTo方法：

• 方法的參數是一個Object類型的變數other，表示另一個參與比較的對象。
• 第一個參與比較的對象是自己
• 返回結果是int類型，-1表示自己小於參數對象，0表示相同，1表示大於參數對象

介面與類不同，它的方法沒有實現代碼。定義一個介面本身並沒有做什麼，也沒有太大的用處，它還需要至少兩個參與者，一個需要實現介面，另一個使用介面，我們先來實現介面。

實現介面

類可以實現介面，表示類的對象具有介面所表示的能力。我們來看一個例子，以前面介紹過的Point類來說明，我們讓Point具備可以比較的能力，Point之間怎麼比較呢？我們假設按照與原點的距離進行比較，下面是Point類的代碼：

public class Point implements MyComparable {    private int x;    private int y;        public Point(int x, int y) {        this.x = x;        this.y = y;    }        public double distance(){        return Math.sqrt(x*x+y*y);    }    @Override    public int compareTo(Object other) {        if(!(other instanceof Point)){            throw new IllegalArgumentException();        }        Point otherPoint = (Point)other;        double delta = distance() - otherPoint.distance();        if(delta<0){            return -1;        }else if(delta>0){            return 1;        }else{            return 0;        }    }    @Override    public String toString() {        return "("+x+","+y+")";    }}

我們解釋一下：

• Java使用implements這個關鍵字表示實現介面，前面是類名，後面是介面名。
• 實現介面必須要實現介面中聲明的方法，Point實現了compareTo方法。

我們再來解釋一下Point的compareTo實現：

• Point不能與其他類型的對象進行比較，它首先檢查要比較的對象是否是Point類型，如果不是，使用throw拋出一個異常，異常我們還沒提到，後續文章講解，此處可以忽略。
• 如果是Point類型，使用強制類型轉換將Object類型的參數other轉換為Point類型的參數otherPoint。
• 這種顯式的類型檢查和強制轉換是可以使用泛型機制避免的，後續文章我們再介紹泛型。

 一個類可以實現多個介面，表明類的對象具備多種能力，各個介面之間以逗號分隔，文法如下所示：

public class Test implements Interface1, Interface2 {....}

定義和實現了介面，接下來我們來看怎麼使用介面。

使用介面

與類不同，介面不能new，不能直接建立一個介面對象，對象只能通過類來建立。但可以聲明介面類型的變數，引用實現了介面的類對象。比如說，可以這樣：

MyComparable p1 = new Point(2,3);MyComparable p2 = new Point(1,2);System.out.println(p1.compareTo(p2));

p1和p2是MyComparable類型的變數，但引用了Point類型的對象，之所以能賦值是因為Point實現了MyComparable介面。如果一個類型實現了多個介面，那這種類型的對象就可以被賦值給任一介面類型的變數。

p1和p2可以調用MyComparable介面的方法，也只能調用MyComparable介面的方法，實際執行時，執行的是具體實作類別的代碼。

為什麼Point類型的對象非要賦值給MyComparable類型的變數呢？在以上代碼中，確實沒必要。但在一些程式中，代碼並不知道具體的類型，這才是介面發揮威力的地方，我們來看下面使用MyComparable介面的例子。

public class CompUtil {    public static Object max(MyComparable[] objs){        if(objs==null||objs.length==0){            return null;        }        MyComparable max = objs[0];        for(int i=1;i<objs.length;i++){            if(max.compareTo(objs[i])<0){                max = objs[i];            }        }        return max;    }        public static void sort(MyComparable[] objs){        for(int i=0;i<objs.length;i++){            for(int j=i+1;j<objs.length;j++){                if(objs[i].compareTo(objs[j])>0){                    MyComparable temp = objs[i];                    objs[i] = objs[j];                    objs[j] = temp;                }            }        }    }}

類CompUtil提供了兩個方法，max擷取傳入數組中的最大值，sort對數組升序排序，參數都是MyComparable類型的數組。max的代碼是比較容易理解的，不再解釋，sort使用的是冒泡排序，其細節我們留待後續文章解釋。

可以看出，這個類是針對MyComparable介面編程，它並不知道具體的類型是什麼，也並不關心，但卻可以對任意實現了MyComparable介面的類型進行操作。我們來看下對Point類型進行操作，代碼如下：

Point[] points = new Point[]{        new Point(2,3),        new Point(3,4),        new Point(1,2)};System.out.println("max: " + CompUtil.max(points));CompUtil.sort(points);System.out.println("sort: "+ Arrays.toString(points));

建立了一個Point類型的數組points，然後使用CompUtil的max方法擷取最大值，使用sort排序，並輸出結果，輸出如下：

max: (3,4)sort: [(1,2), (2,3), (3,4)]

這裡示範的是對Point數組操作，實際上可以針對任何實現了MyComparable介面的類型數組進行操作。

這就是介面的威力，可以說，針對介面而非具體類型進行編程，是電腦程式的一種重要思維方式。針對介面，很多時候反映了對象以及對對象操作的本質。它的優點有很多，首先是代碼複用，同一套代碼可以處理多種不同類型的對象，只要這些對象都有相同的能力，如CompUtil。

更重要的是降低了耦合，提高了靈活性，使用介面的代碼依賴的是介面本身，而非實現介面的具體類型，程式可以根據情況替換介面的實現，而不影響介面使用者。解決複雜問題的關鍵是分而治之，分解為小問題，但小問題之間不可能一點關係沒有，分解的核心就是要降低耦合，提高靈活性，介面為恰當分解，提供了有力的工具。

介面的細節

上面我們介紹了介面的基本內容，介面還有一些細節，包括：

• 介面中的變數
• 介面的繼承
• 類的繼承與介面
• instanceof

我們逐個來介紹下。

介面中的變數

介面中可以定義變數，文法如下所示：

public interface Interface1 {    public static final int a = 0;}

這裡定義了一個變數int a，修飾符是public static final，但這個修飾符是可選的，即使不寫，也是public static final。這個變數可以通過"介面名.變數名"的方式使用，如Interface1.a。

介面的繼承

介面也可以繼承，一個介面可以繼承別的介面，繼承的基本概念與類一樣，但與類不同，介面可以有多個父介面，代碼如下所示：

public interface IBase1 {    void method1();}public interface IBase2 {    void method2();}public interface IChild extends IBase1, IBase2 {}

介面的繼承同樣使用extends關鍵字，多個父介面之間以逗號分隔。

類的繼承與介面

類的繼承與介面可以共存，換句話說，類可以在繼承基類的情況下，同時實現一個或多個介面，文法如下所示：

public class Child extends Base implements IChild { //...}

extends要放在implements之前。

instanceof

與類一樣，介面也可以使用instanceof關鍵字，用來判斷一個對象是否實現了某介面，例如：

Point p = new Point(2,3);if(p instanceof MyComparable){    System.out.println("comparable");}

使用介面替代繼承

上節我們提到，可以使用介面替代繼承。怎麼替代呢？

我們說繼承至少有兩個好處，一個是複用代碼，另一個是利用多態和動態綁定統一處理多種不同子類的對象。

使用組合替代繼承，可以複用代碼，但不能統一處理。使用介面，針對介面編程，可以實現統一處理不同類型的對象，但介面沒有代碼實現，無法複用代碼。將組合和介面結合起來，就既可以統一處理，也可以複用代碼了。我們還是以上節的例子來說明。

我們先增加一個介面IAdd，代碼如下：

public interface IAdd {    void add(int number);    void addAll(int[] numbers);}

修改Base代碼，讓他實現IAdd介面，代碼基本不變：

public class Base implements IAdd {//...}

修改Child代碼，也是實現IAdd介面，代碼基本不變：

public class Child implements IAdd { //...}

這樣，就既可以複用代碼，也可以統一處理，而且不用擔心破壞封裝了。

小結

本節我們談了資料類型思維的局限，提到了很多時候關心的是能力，而非類型，所以引入了介面，介紹了Java中介面的概念和細節，針對介面編程是一種重要的程式思維方式，這種方式不僅可以複用代碼，還可以降低耦合，提高靈活性，是分解複雜問題的一種重要工具。

介面沒有任何實現代碼，而之前介紹的類都有完整的實現，都可以建立對象，Java中還有一個介於介面和類之間的概念，抽象類別，它有什麼用呢？

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