面向接口三编程详解思想基础.doc

对于各位使用面向对象编程语言的程序员来说，“接口”这个名词一定不陌生，但是不知各位有没有这样的疑惑：接口有什么用途？它和抽象类有什么区别？能不能用抽象类代替接口呢？而且，作为程序员，一定经常听到“面向接口编程”这个短语，那么它是什么意思？有什么思想内涵？和面向对象编程是什么关系？ 1.面向接口编程和面向对象编程是什么关系 首先，面向接口编程和面向对象编程并不是平级的，它并不是比面向对象编程更先进的一种独立的编程思想，而是附属于面向对象思想体系，属于其一部分。或者说，它是面向对象编程体系中的思想精髓之一。 2.接口的本质 接口，在表面上是由几个没有主体代码的方法定义组成的集合体，有唯一的名称，可以被类或其他接口所实现（或者也可以说继承）。它在形式上可能是如下的样子： interface InterfaceName { void Method1(); void Method2(int para1); void Method3(string para2,string para3); } 那么，接口的本质是什么呢？或者说接口存在的意义是什么。我认为可以从以下两个视角考虑： 1）接口是一组规则的集合，它规定了实现本接口的类或接口必须拥有的一组规则。体现了自然界“如果你是……则必须能……”的理念。 例如，在自然界中，人都能吃饭，即“如果你是人，则必须能吃饭”。那么模拟到计算机程序中，就应该有一个IPerson（习惯上，接口名由“I”开头）接口，并有一个方法叫Eat（），然后我们规定，每一个表示“人”的类，必须实现IPerson接口，这就模拟了自然界“如果你是人，则必须能吃饭”这条规则。 从这里，我想各位也能看到些许面向对象思想的东西。面向对象思想的核心之一，就是模拟真实世界，把真实世界中的事物抽象成类，整个程序靠各个类的实例互相通信、互相协作完成系统功能，这非常符合真实世界的运行状况，也是面向对象思想的精髓。 2）接口是在一定粒度视图上同类事物的抽象表示。注意这里我强调了在一定粒度视图上，因为“同类事物”这个概念是相对的，它因为粒度视图不同而不同。 例如，在我的眼里，我是一个人，和一头猪有本质区别，我可以接受我和我同学是同类这个说法，但绝不能接受我和一头猪是同类。但是，如果在一个动物学家眼里，我和猪应该是同类，因为我们都是动物，他可以认为“人”和“猪”都实现了IAnimal这个接口，而他在研究动物行为时，不会把我和猪分开对待，而会从“动物”这个较大的粒度上研究，但他会认为我和一棵树有本质区别。 现在换了一个遗传学家，情况又不同了，因为生物都能遗传，所以在他眼里，我不仅和猪没区别，和一只蚊子、一个细菌、一颗树、一个蘑菇乃至一个SARS病毒都没什么区别，因为他会认为我们都实现了IDescendable这个接口（注：descend vi. 遗传），即我们都是可遗传的东西，他不会分别研究我们，而会将所有生物作为同类进行研究，在他眼里没有人和病毒之分，只有可遗传的物质和不可遗传的物质。但至少，我和一块石头还是有区别的。 可不幸的事情发生了，某日，地球上出现了一位伟大的人，他叫列宁，他在熟读马克思、恩格斯的辩证唯物主义思想巨著后，颇有心得，于是他下了一个著名的定义：所谓物质，就是能被意识所反映的客观实在。至此，我和一块石头、一丝空气、一条成语和传输手机信号的电磁场已经没什么区别了，因为在列宁的眼里，我们都是可以被意识所反映的客观实在。如果列宁是一名程序员，他会这么说：所谓物质，就是所有同时实现了“IReflectabe”和“IEsse”两个接口的类所生成的实例。（注：reflect v. 反映 esse n. 客观实在） 也许你会觉得我上面的例子像在瞎掰，但是，这正是接口得以存在的意义。面向对象思想和核心之一叫做多态性，什么叫多态性？说白了就是在某个粒度视图层面上对同类事物不加区别的对待而统一处理。而之所以敢这样做，就是因为有接口的存在。像那个遗传学家，他明白所有生物都实现了IDescendable接口，那只要是生物，一定有Descend（）这个方法，于是他就可以统一研究，而不至于分别研究每一种生物而最终累死。 可能这里还不能给你一个关于接口本质和作用的直观印象。那么在后文的例子和对几个设计模式的解析中，你将会更直观体验到接口的内涵。 3.面向接口编程综述 通过上文，我想大家对接口和接口的思想内涵有了一个了解，那么什么是面向接口编程呢？我个人的定义是：在系统分析和架构中，分清层次和依赖关系，每个层次不是直接向其上层提供服务（即不是直接实例化在上层中），而是通过定义一组接口，仅向上层暴露其接口功能，上层对于下层仅仅是接口依赖，而不依赖具体类。 这样做的好处是显而易见的，首先对系统灵活性大有好处。当下层需要改变时，只要接口及接口功能不变，则上层不用做任何修改。甚至可以在不改动上层代码时将下层整个替换掉，就像我们将一个WD的60G硬盘换成一个希捷的160G的硬盘，计算机其他地方不用做任何改动，而是把原硬盘拔下来、新硬盘插上就行了，因为计算机其他部分不依赖具体硬盘，而只依赖一个IDE接口，只要硬盘实现了这个接口，就可以替换上去。从这里看，程序中的接口和现实中的接口极为相似，所以我一直认为，接口（interface）这个词用的真是神似！ 使用接口的另一个好处就是不同部件或层次的开发人员可以并行开工，就像造硬盘的不用等造CPU的，也不用等造显示器的，只要接口一致，设计合理，完全可以并行进行开发，从而提高效率。 面向对象的精髓是模拟现实，这也可以说是我这篇文章的灵魂。所以，多从现实中思考面向对象的东西，对提高系统分析设计能力大有脾益。 问题的提出 定义：现在我们要开发一个应用，模拟移动存储设备的读写，即计算机与U盘、MP3、移动硬盘等设备进行数据交换。 上下文（环境）：已知要实现U盘、MP3播放器、移动硬盘三种移动存储设备，要求计算机能同这三种设备进行数据交换，并且以后可能会有新的第三方的移动存储设备，所以计算机必须有扩展性，能与目前未知而以后可能会出现的存储设备进行数据交换。 各个存储设备间读、写的实现方法不同，U盘和移动硬盘只有这两个方法，MP3Player还有一个PlayMusic方法。 名词定义：数据交换={读，写} 看到上面的问题，我想各位脑子中一定有了不少想法，这是个很好解决的问题，很多方案都能达到效果。下面，我列举几个典型的方案。 解决方案列举 方案一：分别定义FlashDisk、MP3Player、MobileHardDisk三个类，实现各自的Read和Write方法。然后在Computer类中实例化上述三个类，为每个类分别写读、写方法。例如，为FlashDisk写ReadFromFlashDisk、WriteToFlashDisk两个方法。总共六个方法。 方案二：定义抽象类MobileStorage，在里面写虚方法Read和Write，三个存储设备继承此抽象类，并重写Read和Write方法。Computer类中包含一个类型为MobileStorage的成员变量，并为其编写get/set器，这样Computer中只需要两个方法：ReadData和WriteData，并通过多态性实现不同移动设备的读写。 方案三：与方案二基本相同，只是不定义抽象类，而是定义接口IMobileStorage，移动存储器类实现此接口。Computer中通过依赖接口IMobileStorage实现多态性。 方案四：定义接口IReadable和IWritable，两个接口分别只包含Read和Write，然后定义接口IMobileStorage接口继承自IReadable和IWritable，剩下的实现与方案三相同。 下面，我们来分析一下以上四种方案： 首先，方案一最直白，实现起来最简单，但是它有一个致命的弱点：可扩展性差。或者说，不符合“开放-关闭原则”（注：意为对扩展开放，对修改关闭）。当将来有了第三方扩展移动存储设备时，必须对Computer进行修改。这就如在一个真实的计算机上，为每一种移动存储设备实现一个不同的插口、并分别有各自的驱动程序。当有了一种新的移动存储设备后，我们就要将计算机大卸八块，然后增加一个新的插口，在编写一套针对此新设备的驱动程序。这种设计显然不可取。 此方案的另一个缺点在于，冗余代码多。如果有100种移动存储，那我们的Computer中岂不是要至少写200个方法，这是不能接受的！ 我们再来看方案二和方案三，之所以将这两个方案放在一起讨论，是因为他们基本是一个方案（从思想层面上来说），只不过实现手段不同，一个是使用了抽象类，一个是使用了接口，而且最终达到的目的应该是一样的。 我们先来评价这种方案：首先它解决了代码冗余的问题，因为可以动态替换移动设备，并且都实现了共同的接口，所以不管有多少种移动设备，只要一个Read方法和一个Write方法，多态性就帮我们解决问题了。而对第一个问题，由于可以运行时动态替换，而不必将移动存储类硬编码在Computer中，所以有了新的第三方设备，完全可以替换进去运行。这就是所谓的“依赖接口，而不是依赖与具体类”，不信你看看，Computer类只有一个MobileStorage类型或IMobileStorage类型的成员变量，至于这个变量具体是什么类型，它并不知道，这取决于我们在运行时给这个变量的赋值。如此一来，Computer和移动存储器类的耦合度大大下降。 那么这里该选抽象类还是接口呢？还记得第一篇文章我对抽象类和接口选择的建议吗？看动机。这里，我们的动机显然是实现多态性而不是为了代码复用，所以当然要用接口。 最后我们再来看一看方案四，它和方案三很类似，只是将“可读”和“可写”两个规则分别抽象成了接口，然后让IMobileStorage再继承它们。这样做，显然进一步提高了灵活性，但是，这有没有设计过度的嫌疑呢？我的观点是：这要看具体情况。如果我们的应用中可能会出现一些类，这些类只实现读方法或只实现写方法，如只读光盘，那么这样做也是可以的。如果我们知道以后出现的东西都是能读又能写的，那这两个接口就没有必要了。其实如果将只读设备的Write方法留空或抛出异常，也可以不要这两个接口。总之一句话：理论是死的，人是活的，一切从现实需要来，防止设计不足，也要防止设计过度。 在这里，我们姑且认为以后的移动存储都是能读又能写的，所以我们选方案三。 实现 下面，我们要将解决方案加以实现。我选择的语言是C#，但是在代码中不会用到C#特有的性质。 首先编写IMobileStorage接口： 1namespace InterfaceExample 2{ 3 public interface IMobileStorage 4 { 5 void Read();//从自身读数据 6 void Write();//将数据写入自身 7 } 8} 比较简单，只有两个方法，没什么好说的，接下来是三个移动存储设备的具体实现代码： U盘 1namespace InterfaceExample 2{ 3 public class FlashDisk : IMobileStorage 4 { 5 public void Read() 6 { 7 Console.WriteLine(“Reading from FlashDisk……“); 8 Console.WriteLine(“Read finished!“); 9 } 10 11 public void Write() 12 { 13 Console.WriteLine(“Writing to FlashDisk……“); 14 Console.WriteLine(“Write finished!“); 15 } 16 } 17} MP3 1namespace InterfaceExample 2{ 3 public class MP3Player : IMobileStorage 4 { 5 public void Read() 6 { 7 Console.WriteLine(“Reading from MP3Player……“); 8 Console.WriteLine(“Read finished!“); 9 } 10 11 public void Write() 12 { 13 Console.WriteLine(“Writing to MP3Player……“); 14 Console.WriteLine(“Write finished!“); 15 } 16 17 public void PlayMusic() 18 { 19 Console.WriteLine(“Music is playing……“); 20 } 21 } 22} 移动硬盘 1namespace InterfaceExample 2{ 3 public class MobileHardDisk : IMobileStorage 4 { 5 public void Read() 6 { 7 Console.WriteLine(“Reading from MobileHardDisk……“); 8 Console.WriteLine(“Read finished!“); 9 } 10 11 public void Write() 12 { 13 Console.WriteLine(“Writing to MobileHardDisk……“); 14 Console.WriteLine(“Write finished!“); 15 } 16 } 17} 可以看到，它们都实现了IMobileStorage接口，并重写了各自不同的Read和Write方法。下面，我们来写Computer： 1namespace InterfaceExample 2{ 3 public class Computer 4 { 5 private IMobileStorage _usbDrive; 6 7 public IMobileStorage UsbDrive 8 { 9 get 10 { 11 return this._usbDrive; 12 } 13 set 14 { 15 this._usbDrive = value; 16 } 17 } 18 19 public Computer() 20 { 21 } 22 23 public Computer(IMobileStorage usbDrive) 24 { 25 this.UsbDrive = usbDrive; 26 } 27 28 public void ReadData() 29 { 30 this._usbDrive.Read(); 31 } 32 33 public void WriteData() 34 { 35 this._usbDrive.Write(); 36 } 37 } 38} 其中的UsbDrive就是可替换的移动存储设备，之所以用这个名字，是为了让大家觉得直观，就像我们平常使用电脑上的USB插口插拔设备一样。 OK！下面我们来测试我们的“电脑”和“移动存储设备”是否工作正常。我是用的C#控制台程序，具体代码如下： 1namespace InterfaceExample 2{ 3 class Program 4 { 5 static void Main(string[] args) 6 { 7 Computer computer = new Computer(); 8 IMobileStorage mp3Player = new MP3Player(); 9 IMobileStorage flashDisk = new FlashDisk(); 10 IMobileStorage mobileHardDisk = new MobileHardDisk(); 11 12 Console.WriteLine(“I inserted my MP3 Player into my computer and copy some music to it:“); 13 computer.UsbDrive = mp3Player; 14 computer.WriteData(); 15 Console.WriteLine(); 16 17 Console.WriteLine(“Well,I also want to copy a great movie to my computer from a mobile hard disk:“); 18 computer.UsbDrive = mobileHardDisk; 19 computer.ReadData(); 20 Console.WriteLine(); 21 22 Console.WriteLine(“OK!I have to read some files from my flash disk and copy another file to it:“); 23 computer.UsbDrive = flashDisk; 24 computer.ReadData(); 25 computer.WriteData(); 26 Console.ReadLine(); 27 } 28 } 29} 现在编译、运行程序，如果没有问题，将看到如下运行结果： 好的，看来我们的系统工作良好。 后来…… 刚过了一个星期，就有人送来了新的移动存储设备NewMobileStorage，让我测试能不能用，我微微一笑，心想这不是小菜一碟，让我们看看面向接口编程的威力吧！将测试程序修改成如下： 1namespace InterfaceExample 2{ 3 class Program 4 { 5 static void Main(string[] args) 6 { 7 Computer computer = new Computer(); 8 IMobileStorage newMobileStorage = new NewMobileStorage(); 9 10 Console.WriteLine(“Now,I am testing the new mobile storage:“); 11 computer.UsbDrive = newMobileStorage; 12 computer.ReadData(); 13 computer.WriteData(); 14 Console.ReadLine(); 15 } 16 } 17} 编译、运行、看结果： 哈哈，神奇吧，Computer一点都不用改动，就可以使新的设备正常运行。这就是所谓“对扩展开放，对修改关闭”。 又过了几天，有人通知我说又有一个叫SuperStorage的移动设备要接到我们的Computer上，我心想来吧，管你是“超级存储”还是“特级存储”，我的“面向接口编程大法”把你们统统搞定。 但是，当设备真的送来，我傻眼了，开发这个新设备的团队没有拿到我们的IMobileStorage接口，自然也没有遵照这个约定。这个设备的读、写方法不叫Read和Write，而是叫rd和wt，这下完了……不符合接口啊，插不上。但是，不要着急，我们回到现实来找找解决的办法。我们一起想想：如果你的Computer上只有USB接口，而有人拿来一个PS/2的鼠标要插上用，你该怎么办？想起来了吧，是不是有一种叫“PS/2-USB”转换器的东西？也叫适配器，可以进行不同接口的转换。对了！程序中也有转换器。 这里，我要引入一个设计模式，叫“Adapter”。它的作用就如现实中的适配器一样，把接口不一致的两个插件接合起来。由于本篇不是讲设计模式的，而且Adapter设计模式很好理解，所以我就不细讲了，先来看我设计的类图吧： 如图所示，虽然SuperStorage没有实现IMobileStorage，但我们定义了一个实现IMobileStorage的SuperStorageAdapter，它聚合了一个SuperStorage，并将rd和wt适配为Read和Write，SuperStorageAdapter的具体代码如下： 1namespace InterfaceExample 2{ 3 public class SuperStorageAdapter : IMobileStorage 4 { 5 private SuperStorage _superStorage; 6 7 public SuperStorage SuperStorage 8 { 9 get 10 { 11 return this._superStorage; 12 } 13 set 14 { 15 this._superStorage = value; 16 } 17 } 18 19 public void Read() 20 { 21 this._superStorage.rd(); 22 } 23 24 public void Write() 25 { 26 this._superStorage.wt(); 27 } 28 } 29} 好，现在我们来测试适配过的新设备，测试代码如下： 1namespace InterfaceExample 2{ 3 class Program 4 { 5 static void Main(string[] args) 6 { 7 Computer computer = new Computer(); 8 SuperStorageAdapter superStorageAdapter = new SuperStorageAdapter(); 9 SuperStorage superStorage = new SuperStorage(); 10 superStorageAdapter.SuperStorage = superStorage; 11 12 Console.WriteLine(“Now,I am testing the new super storage with adapter:“); 13 computer.UsbDrive = superStorageAdapter; 14 computer.ReadData(); 15 computer.WriteData(); 16 Console.ReadLine(); 17 } 18 } 19} 运行后会得到如下结果： OK！虽然遇到了一些困难，不过在设计模式的帮助下，我们还是在没有修改Computer任何代码的情况下实现了新设备的运行。 4.NET平台下分层架构的面向接口思想 我们知道，在做大一点的系统应用时（特别是B/S架构），比较好的方法是分层架构。所谓分层架构，是指将系统从职责上分成若干层，每层各司其职，上层依赖下层完成操作。 在.NET平台上，比较经典的分层架构是三层架构，从下到上依次是：数据访问层、业务逻辑层、表示层。各层职责如下： 数据访问层：负责与数据源交互，完成数据访问等一系列操作。 业务逻辑层：完成与系统业务有关的逻辑操作。 表示层：负责与用户交互、呈现数据等一切与系统表示有关的操作。 刚才我们说过，分层架构下是向下依赖的（不考虑依赖倒置原则(DIP)），也就是业务逻辑层要调用数据访问层完成与数据源有关的操作，而表示层调用业务逻辑层完成业务逻辑工作。但是，表示层对数据访问层是没有依赖的。 在这个架构中，每一层都不是一个类，而是一个类族，例如，在一个CMS系统中，数据访问层可能会有一系列的类，分别负责用户、文章、评论等业务实体的数据访问操作，而业务逻辑层也一样。如果我们直接依赖，即业务逻辑层实例化数据访问层的类，表示层再实例化业务逻辑层的类，会造成强耦合。如果我想把数据库从SQLServer换成MySQL，则要改变整个业务逻辑层代码，这是个不好的设计。（还记得“开放-关闭”原则吗）所以，一般的做法是，为数据访问层和业务逻辑层分别定义一族接口，业务逻辑层不依赖具体的数据访问层，而是仅依赖数据访问层的接口族，表示层也一样，依赖业务逻辑层的接口族。如此一来，当要更换数据库时，我们就不必改写整个业务逻辑层，因为业务逻辑层里根本没有任何数据访问层中的具体类，而全是通过接口实现的。在.NET中，只要配合配置文件和反射机制，再运用Abstract Factory设计模式，就可以实现“依赖注入(又称控制反转：IOC)”，即在不改动代码的情况下根据配置选择相应的层次组件。这样，我们就可以为不通数据库分别实现数据访问层，也可以编写ORM的数据访问层，甚至是基于XML的，只要实现了数据访问层接口族，就可以和业务逻辑层无缝连接，从而极大提高了软件的灵活性和可维护性。当然要更改业务逻辑层也是一样。 如果说，前面的例子都是从微观视角讨论接口，那么，这个例子则从宏观视角展现了面向接口编程的内涵和优势。很抱歉在这里不能对这个架构深入讲解，有兴趣的朋友可以参考微软的官方示例.NET PetShop4。（但是请注意，这个示例中业务逻辑层没有定义接口族，而是强耦合于表示层中，这可能是因为考虑到在这个系统中业务逻辑没有更改的可能。另外由于是个示例，不是真正的B2C系统，所以业务逻辑层很简单。） 到这里， 我想大家对“面向接口编程”有一定的了解。当然，我只是起到一个抛砖引玉的作用，其真正的内涵和精髓，还需要各位从实践中慢慢认识。还有，就是面向接口思想不是孤立的，它和设计模式等内容都是面向对象大系中的精华，而且是相互渗透、相互联系的。其实，很多设计模式就是面向接口思想的体现。我们应该把这些放在一起学习，从而真正提供自己的面向对象思考能力和实战能力。