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Go 面向对象编程篇(五):接口定义及实现

接口在 Go 语言中有着至关重要的地位,如果说 goroutine 和 channel 是支撑起 Go 语言并发模型的基石,那么接口就是 Go 语言整个类型系统的基石。Go 语言的接口不单单只是接口,下面就让我们一步步来探索 Go 语言的接口特性。

传统侵入式接口实现

和类的实现相似,Go 语言的接口和其他语言中提供的接口概念完全不同。以 Java、PHP 为例,接口主要作为不同类之间的契约(Contract)存在,对契约的实现是强制的,体现在具体的细节上就是如果一个类实现了某个接口,就必须实现该接口声明的所有方法,这个叫「履行契约」:

// 声明一个'iTemplate'接口
interface iTemplate
{
    public function setVariable($name, $var);
    public function getHtml($template);
}


// 实现接口
// 下面的写法是正确的
class Template implements iTemplate
{
    private $vars = array();

    public function setVariable($name, $var)
    {
        $this->vars[$name] = $var;
    }

    public function getHtml($template)
    {
        foreach($this->vars as $name => $value) {
            $template = str_replace('{' . $name . '}', $value, $template);
        }

        return $template;
    }
}

这个时候,如果有另外有一个接口 iTemplate2 声明了与 iTemplate 完全一样的接口方法,甚至名字也叫 iTemplate,只不过位于不同的命名空间下,编译器也会认为上面的类 Template 只实现了 iTemplate 而没有实现 iTemplate2 接口。

这在我们之前的认知中是理所当然的,无论是类与类之间的继承,还是类与接口之间的实现,在 Java、PHP 这种单继承语言中,存在着严格的层级关系,一个类只能直接继承自一个父类,一个类也只能实现指定的接口,如果没有显式声明继承自某个父类或者实现某个接口,那么这个类就与该父类或者该接口没有任何关系。

我们把这种接口称为侵入式接口,所谓「侵入式」指的是实现类必须明确声明自己实现了某个接口。这种实现方式虽然足够明确和简单明了,但也存在一些问题,尤其是在设计标准库的时候,因为标准库必然涉及到接口设计,接口的需求方是业务实现类,只有具体编写业务实现类的时候才知道需要定义哪些方法,而在此之前,标准库的接口就已经设计好了,我们要么按照约定好的接口进行实现,如果没有合适的接口需要自己去设计,这里的问题就是接口的设计和业务的实现是分离的,接口的设计者并不能总是预判到业务方要实现哪些功能,这就造成了设计与实现的脱节。

接口的过分设计会导致某些声明的方法实现类完全不需要,如果设计的太简单又会导致无法满足业务的需求,这确实是一个问题,而且脱离了用户使用场景讨论这些并没有意义,以 PHP 自带的 SessionHandlerInterface 接口为例,该接口声明的接口方法如下:

SessionHandlerInterface {
    /* 方法 */
    abstract public close ( void ) : bool
    abstract public destroy ( string $session_id ) : bool
    abstract public gc ( int $maxlifetime ) : int
    abstract public open ( string $save_path , string $session_name ) : bool
    abstract public read ( string $session_id ) : string
    abstract public write ( string $session_id , string $session_data ) : bool
}

用户自定义的 Session 管理器需要实现该接口,也就是要实现该接口声明的所有方法,但是实际在做业务开发的时候,某些方法其实并不需要实现,比如如果我们基于 Redis 或 Memcached 作为 Session 存储器的话,它们自身就包含了过期回收机制,所以 gc 方法根本不需要实现,又比如 close 方法对于大部分驱动来说,也是没有什么意义的。

正是因为这种不合理的设计,所以在编写 PHP 类库中的每个接口时都需要纠结以下两个问题(Java 也类似):

  1. 一个接口需要声明哪些接口方法?
  2. 如果多个类实现了相同的接口方法,应该如何设计接口?比如上面这个 SessionHandlerInterface,有没有必要拆分成多个更细分的接口,以适应不同实现类的需要?

接下我们来看看 Go 语言的接口是如何避免这些问题的。

Go 语言的接口实现

在 Go 语言中,类对接口的实现和子类对父类的继承一样,并没有提供类似 implement 这种关键字显式声明该类实现了哪个接口,一个类只要实现了某个接口要求的所有方法,我们就说这个类实现了该接口

例如,我们定义了一个 File 类,并实现了 Read()Write()Seek()Close() 四个方法:

type File struct { 
    // ...
}

func (f *File) Read(buf []byte) (n int, err error) 
func (f *File) Write(buf []byte) (n int, err error) 
func (f *File) Seek(off int64, whence int) (pos int64, err error) 
func (f *File) Close() error

假设我们有如下接口(Go 语言通过关键字 interface 来声明接口,以示和结构体类型的区别,花括号内包含的是待实现的方法集合):

type IFile interface { 
    Read(buf []byte) (n int, err error) 
    Write(buf []byte) (n int, err error) 
    Seek(off int64, whence int) (pos int64, err error) 
    Close() error 
}

type IReader interface { 
    Read(buf []byte) (n int, err error) 
}

type IWriter interface { 
    Write(buf []byte) (n int, err error) 
}

type ICloser interface { 
    Close() error 
}

尽管 File 类并没有显式实现这些接口,甚至根本不知道这些接口的存在,但是我们说 File 类实现了这些接口,因为 File 类实现了上述所有接口声明的方法。当一个类的成员方法集合包含了某个接口声明的所有方法,换句话说,如果一个接口的方法集合是某个类成员方法集合的子集,我们就认为该类实现了这个接口。

与 Java、PHP 相对,我们把 Go 语言的这种接口称作非侵入式接口,因为类与接口的实现关系不是通过显式声明,而是系统根据两者的方法集合进行判断。这样做有两个好处:

  • 其一,Go 语言的标准库不需要绘制类库的继承/实现树图,在 Go 语言中,类的继承树并无意义,你只需要知道这个类实现了哪些方法,每个方法是干什么的就足够了。
  • 其二,定义接口的时候,只需要关心自己应该提供哪些方法即可,不用再纠结接口需要拆得多细才合理,也不需要为了实现某个接口而引入接口所在的包,接口由使用方按需定义,不用事先设计,也不用考虑之前是否有其他模块定义过类似接口。

这样一来,就完美地避免了传统面向对象编程中的接口设计问题。

通过组合实现接口继承

我们知道在 Java、PHP 等传统面向对象编程语言中,支持通过 extends 关键字实现接口之间的继承关系:

<?php

interface A 
{
    public function foo();
}

interface B extends A
{
    public function bar();
}

在上述代码中,我们定义了两个 PHP 接口:AB,其中接口 B 继承自 A,这样一来,如果某个类实现了接口 B,则必须实现这两个接口中声明的方法,否则会报错。

Go 语言也支持类似的「接口继承」特性,但是由于不支持 extends 关键字,所以其实现和类的继承一样,是通过组合来完成的。以上面这个 PHP 示例为例,在 Go 语言中,我们可以这样通过接口组合来实现接口继承,就像类的组合一样:

type A interface {
    Foo()
}

type B interface {
    A
    Bar()
}

然后我们定义一个类 T 实现接口 B

type T struct {}

func (t T) Foo() {
    fmt.Println("call Foo function from interface A.")
}

func (t T) Bar() {
    fmt.Println("call Bar function from interface B.")
}

不过,在 Go 语言中,又与传统的接口继承有些不同,因为接口实现不是强制的,是根据类实现的方法来动态判定的,比如我们上面的 T 类可以只实现 Foo 方法,也可以只实现 Bar 方法,也可以都不实现。如果只实现了 Foo 方法,则 T 实现了接口 A;如果只实现了 Bar 方法,则既没有实现接口 A 也没有实现接口 B,只有两个方法都实现了系统才会判定实现了接口 B

可以认为接口组合是匿名类型组合(没有显式为组合类型设置对应的属性名称)的一个特定场景,只不过接口只包含方法,而不包含任何属性。Go 语言底层很多包就是基于接口组合实现的,比如 io 里面的 ReaderWriterReadWriter 这些接口:

// Reader is the interface that wraps the basic Read method.
type Reader interface {
    Read(p []byte) (n int, err error)
}

// Writer is the interface that wraps the basic Write method.
type Writer interface {
    Write(p []byte) (n int, err error)
}

// ReadWriter is the interface that groups the basic Read and Write methods.
type ReadWriter interface {
    Reader
    Writer
}

太烂了有点差凑活看还不错太棒了 (9 人打了分, 平均分: 4.56)
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