设计模式学习笔记 - 面向对象 - 6.为什么要基于接口而非实现编程？有必要为每个类都定义接口吗？

前言

“基于接口而非实现编程”这个原则非常重要，是一种非常有效的提高代码质量的手段，在平时的开发中经常被用到。

如何解读原则中的“接口”二字

要理解“基于接口而非实现编程”的关键就是要理解其中的“接口”二字，我们可以理解为编程语言中的接口或抽象类。

前面我们提到，这条原则非常有效地提高代码质量，因为这条原则可以将接口与实现分离，封装不稳定的实现，暴露稳定的接口。上游系统面向接口而非实现编程，不依赖不稳定的实现，这样当实现放生变化的时候，上游系统的代码基本上不需要做改动，以此来降低耦合，提高扩展性。

“基于接口而非实现编程”这条原则的另一个表达方式，是“基于抽象而非实现编程”。在软件开发中，最大的挑战之一就是需求不断变化，这也是考验代码设计好坏的一个标准。越抽象、越顶层、越脱离具体某一实现的设计，越能提高代码的灵活性，越能应对未来的需求变化。好的代码设计，不仅能应对当下的需求，而且在将来需求发生变化的时候，仍然能够在不破坏原有代码设计去情况下灵活应对。而抽象就是提高代码扩展性、灵活性、可维护性最有效的手段之一。

如何将这条原则应用到实战中

假设，系统中有很多设计图片处理和存储的业务逻辑。图片经过处理之后被上传到阿里云上。为了代码复用，我们封装了图片存储相关的代码逻辑，提供了一个统一的 AliyunImageStore 类。

public class AliyunImageStore {// 省略构造属性、构造函数...public void createBucketIfNotExists(String bucketName) {// 创建bucket代码逻辑...// 失败或抛出异常}public String generateAccessKey() {// 根据accessKey/secretKey等生成 access Token...}public String uploadToAliyun(Image image, String bucketName, String accessToken) {// 上传图片到阿里云...// 返回图片存储在阿里云上的地址(url）...}public String downloadFromAliyun(String url, String accessToken) {// 从阿里云下载图片...}
}// AliyunImageStore类的使用举例
public class ImageProcessJob {private static final String BUCKET_NAME = "ai_image_bucket";// 省略其他无关代码...public void process() {Image image = ...; //处理图片，并封装为Image对象AliyunImageStore imageStore = new AliyunImageStore(/*省略参数*/);imageStore.createBucketIfNotExists(BUCKET_NAME);String accessToken = imageStore.generateAccessKey();imageStore.uploadToAliyun(image, BUCKET_NAME, accessToken);}
}

整个上传流程分为三步：创建 bucket（简单理解为目录）、生成 accessToken、携带 accessToken 上传图片到指定的 bucket 中。咋看起来，这段代码没有太大问题，完全能满足我们将图片存储在阿里云的需求。

软件开发经常会发生需求变化。假设我们自建了私有云，不在将图片存储到阿里云了，而是将图片存储到自建云上。此时，该如何修改代码呢？

需要重新设计一个 PrivateImageStore 类，并用它来替掉项目中所有的 AliyunImageStore 类。这样的修改看起来并不复杂，知识简单替换而已，对整个代码的改动不大。不过，我们常说“细节是魔鬼”。实际上，刚刚的设计实现方式，就因此了很多容易出问题的“魔鬼细节”。

新的 PrivateImageStore 类需要设计哪些方式，才能在尽量最小化代码修改的情况下，替换掉 AliyunImageStore 呢？这就要求我们必须将 AliyunImageStore 类中定义的所有 public 方法都注意定义并实现以便。但是这样做忽悠一些问题：

• 首先 AliyunImageStore 类中有些函数命名暴露了细节，比如 uploadToAliyun() 和 downloadFromAliyun()。如果开发这个功能的人没有接口意识、抽象思维，那这种暴露细节的命名方式就不足为奇了。而我们把包含 aliyun 字眼的方法，照抄到 PrivateImageStore 类中，显然是不合适的。如果我们在新类中重新命名 uploadToAliyun() 和 downloadFromAliyun() 这些方法，那就意味着，我们要修改项目中所有使用到这两个方法的代码，代码修改量可能会很大。
• 其次，将图片存储到阿里云的流程，和存储到私有云的流程，可能并不完全一致。比如，阿里云的图片上传和下载的过程中，都需要生产 accessToken，而私有云不需要。一方面，AliyunImageStore 中定义的 generateAccessKey() 方法不能照抄到 PrivateImageStore 类中；另一方面，我们在使用 AliyunImageStore 上传、下载图片的时候，代码中个用到了 generateAccessKey() 方法，如果要改为私有云的上传下载流程，这些代码都需要调整。

如何解决上述两个问题呢？那就是要遵从“基于接口而非实现编程”的原则，具体来讲，需要做到 3 点：

1. 函数的命名不能暴露任何实现细节。比如前面提到的 uploadToAliyun() 就不符合要求，要去掉 aliyun 这样的字眼，改为更加抽象的命名方式，比如： upload() 。
2. 封装具体实现。比如，跟阿里云相关的特殊上传或下载流程，不应该暴露给调用者。我们对上传或下载的流程进行封装，对外提供一个包裹所有上传或下载的细节的方法，给调用者使用。
3. 为实现类定义接口。具体的实现类都依赖统一的接口定义，遵从一致的上传功能协议。使用者依赖接口，而不是依赖实现类来编程。

按照这个思路，重构以下上面的代码。

public interface ImageStore {String upload(Image image, String bucketName);Image download(String bucketName);
}public class AliyunImageStore implements ImageStore {// 省略属性、构造函数等...@Overridepublic String upload(Image image, String bucketName) {createBucketIfNotExists(bucketName);String accessToken = generateAccessKey();// 上传图片到阿里云...// 返回图片存储在阿里云上的地址(url）...}@Overridepublic Image download(String bucketName) {String accessToken = generateAccessKey();// 从阿里云下载图片...}public void createBucketIfNotExists(String bucketName) {// 创建bucket代码逻辑...// 失败或抛出异常}public String generateAccessKey() {// 根据accessKey/secretKey等生成 access Token...}
}// 上传流程改变：私有云不需要accessToken
public class PrivateImageStore implements ImageStore {// 省略属性、构造函数等...@Overridepublic String upload(Image image, String bucketName) {createBucketIfNotExists(bucketName);// 上传图片到私有云...// 返回图片存储在私有云上的地址(url）...}@Overridepublic Image download(String bucketName) {// 从私有云下载图片...}public void createBucketIfNotExists(String bucketName) {// 创建bucket...// 失败或抛出异常}
}// ImageStore类的使用举例
public class ImageProcessJob {private static final String BUCKET_NAME = "ai_image_bucket";// 省略其他无关代码...public void process() {Image image = ...; //处理图片，并封装为Image对象ImageStore imageStore = new PrivateImageStore(/*省略参数*/);imageStore.upload(image, BUCKET_NAME);}
}

有很多人在定义接口的时候，希望通过实现类来反推接口的定义。如果按照这种的方式，可能导致接口定义不够抽象，依赖具体的实现。这样的接口设计就没有意义了。

如果你觉得这种思考方式更加顺畅，那也没问题，知识将实现类的方法搬迁到接口定义中的时候，要有选择性的搬移，不要将跟具体实现相关的方法搬移到接口中，比如 AliyunImageStore 中的 generateAccessKey() 方法。

我们在做软件开发的时候，一定要有抽象意识、封装意识、接口意识。在定义接口的时候，不要暴露任何细节。接口的定义只表明要做什么，而不是怎么做。而且，在设计接口的时候，要多思考，这样的接口设计是否足够通用，是否能够做到在替换具体的接口实现时，不需要任何接口定义的改动。

是否需要为每个类定义接口？

做任何事情，需要讲究一个“度”，过度使用这条原则，非得给每个类都定义接口，接口满天飞，也会导致不必要的负担。

至于什么时候，该为某个类设计接口，实现基于接口的编程，什么时候不需要定义接口，直接使用实现类编程，我们要做权衡的根本依据，还是要回归到设计原则诞生的初衷上来。只要搞清楚了这条规则，很多之前模棱两可的问题，都会变得豁然开朗。

前面已经讲过，这条原则的设计初衷是，将接口和实现分离，封装不稳定的实现，暴露稳定的接口。上游系统面向接口而非实现编程，不依赖不稳定的实现细节，这样当实际发生变化的时候，上游系统的代码基本上不需要做改动，依次来降低代码间的耦合性，提高代码的扩展性。

从这个涉及初衷来看，如果我们的业务场景中，某个功能只有一个实现方式，未来也不可能被其他实现方式替换，那我们就没有必要为其设计接口，也没有必要基于接口编程，直接使用实现类编程就可以了。

初次之外，越是不稳定的系统，我们越是要在代码的扩展性、维护性上下功夫。相反，如果某个系统特别稳定，在开发完成之后基本上不需要做维护，那我们就没有必要为其扩展性，投入不必要的开发时间。

总结

1. 基于接口而非实现编程，这条原则的另一个表达方式是“基于抽象而非实现编程”，我们在开发的时候，一定要有抽象意识、封装意识、接口意识。越抽象、越顶层、越脱离具体某一实现的设计，越能提高代码的灵活性、扩展性和可维护性。
2. 在定义接口的时候，一方面，命名要足够通用，不能包含跟具体实现相关的字眼；另一方面，与特定实现有关的方法，不要定义在接口中。
3. “基于接口而非实现编程”这条原则，不仅仅可以指导非常细节的编程开发，还能指导更加上层的架构设计、系统设计等。比如，客户端与服务器端之间的“接口设计”、类库的“接口”设计。