5、基于接口而非实现编程

1、如何解读 "接口"

"基于接口而非实现编程" 这条原则的英文描述是："Program to an interface, not an implementation"
我们理解这条原则的时候，千万不要一开始就与具体的编程语言挂钩，局限在编程语言的 "接口" 语法中（比如 Java 中的 interface 接口语法）
这条原则最早出现于 1994 年 GoF 的《设计模式》这本书，它先于很多编程语言而诞生（比如 Java 语言），是一条比较抽象、泛化的设计思想

实际上，理解这条原则的关键，就是理解其中的 "接口" 两个字，还记得我们上一节课讲的 "接口" 的定义吗？
从本质上来看，"接口" 就是一组 "协议" 或者 "约定"，是功能提供者提供给使用者的一个 "功能列表"
"接口" 在不同的应用场景下会有不同的解读，比如服务端与客户端之间的 "接口"，类库提供的 "接口"，甚至是一组通信的协议都可以叫作 "接口"
刚刚对 "接口" 的理解都比较偏上层、偏抽象，与实际的写代码离得有点远
如果落实到具体的编码，"基于接口而非实现编程" 这条原则中的 "接口"，可以理解为编程语言中的接口或者抽象类

前面我们提到，这条原则能非常有效地提高代码质量
之所以这么说，是因为应用这条原则，可以将接口和实现相分离，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，这样当实现发生变化的时候，上游系统的代码基本上不需要做改动，以此来降低耦合性，提高扩展性

"基于接口而非实现编程" 这条原则的另一个表述方式，是 "基于抽象而非实现编程"，后者的表述方式其实更能体现这条原则的设计初衷
在软件开发中，最大的挑战之一就是需求的不断变化，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的情况下灵活应对
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

2、应用原则

2.1、示例

假设我们的系统中有很多涉及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，供整个系统来使用

public class AliyunImageStore {

    //... 省略属性、构造函数等...

    public void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {
        // ... 创建 bucket 代码逻辑 ...
        // ... 失败会抛出异常 ...
    }

    public String generateAccessToken() {
        // ... 根据 accesskey/secrectkey 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 Image downloadFromAliyun(String url, String accessToken) {
        // ... 从阿里云下载图片 ...
    }
}

// AliyunImageStore 类的使用举例
public class ImageProcessingJob {

    private static final String BUCKET_NAME = "ai_images_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.createBucketIfNotExisting(BUCKET_NAME);

        String accessToken = imageStore.generateAccessToken();
        imagestore.uploadToAliyun(image, BUCKET_NAME, accessToken);
    }
}

2.2、问题

整个上传流程包含三个步骤：创建 bucket（你可以简单理解为存储目录）、生成 access token 访问凭证、携带 access token 上传图片到指定的 bucket 中
代码实现非常简单，类中的几个方法定义得都很干净，用起来也很清晰，乍看起来没有太大问题，完全能满足我们将图片存储在阿里云的业务需求

不过软件开发中唯一不变的就是变化，过了一段时间后，我们自建了私有云，不再将图片存储到阿里云了，而是将图片存储到自建私有云上
为了满足这样一个需求的变化，我们该如何修改代码呢？

我们需要重新设计实现一个存储图片到私有云的 PrivateImageStore 类，并用它替换掉项目中所有的 AliyunImageStore 类对象
这样的修改听起来并不复杂，只是简单替换而已，对整个代码的改动并不大
不过我们经常说 "细节是魔鬼"，这句话在软件开发中特别适用
实际上，刚刚的设计实现方式就隐藏了很多容易出问题的 "魔鬼细节"，我们一块来看看都有哪些

• 新的 PrivateImageStore 类需要设计实现哪些方法，才能在尽量最小化代码修改的情况下，替换掉 AliyunImageStore 类呢
  这就要求我们必须将 AliyunImageStore 类中所定义的所有 public 方法，在 PrivateImageStore 类中都逐一定义并重新实现一遍
  而这样做就会存在一些问题，我总结了下面两点
• 首先：AliyunImageStore 类中有些函数命名暴露了实现细节，比如 uploadToAliyun() 和 downloadFromAliyun()
  如果开发这个功能的同事没有接口意识、抽象思维，那这种暴露实现细节的命名方式就不足为奇了，毕竟最初我们只考虑将图片存储在阿里云上
  而我们把这种包含 "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()、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，代码修改量可能就会很大
• 其次：将图片存储到阿里云的流程，跟存储到私有云的流程，可能并不是完全一致的
  比如阿里云的图片上传和下载的过程中，需要生产 access token，而私有云不需要 access token
  一方面，AliyunImageStore 中定义的 generateAccessToken() 方法不能照抄到 PrivateImageStore 中
  另一方面，我们在使用 AliyunImageStore 上传、下载图片的时候，代码中用到了 generateAccessToken() 方法，如果要改为私有云的上传下载流程，这些代码都需要做调整

2.3、解决

那这两个问题该如何解决呢：在编写代码的时候，要遵从 "基于接口而非实现编程" 的原则，具体来讲我们需要做到下面这 3 点

• 函数的命名不能暴露任何实现细节
  前面提到的 uploadToAliyun() 就不符合要求，应该改为去掉 aliyun 这样的字眼，改为更加抽象的命名方式 upload()
• 封装具体的实现细节
  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）流程进行封装，对外提供一个包裹所有上传（或下载）细节的方法，给调用者使用
• 为实现类定义抽象的接口
  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，而不是具体的实现类来编程

public interface ImageStore {

    String upload(Image image, String bucketName);

    Image download(String url);
}

public class AliyunImageStore implements ImageStore {

    // ... 省略属性、构造函数等 ...

    private void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {
        // ... 创建 bucket ...
        // ... 失败会抛出异常 ...
    }

    private String generateAccessToken() {
        // ... 根据 accesskey/secrectkey 等生成 access token
    }

    @Override
    public String upload(Image image, String bucketName) {
        createBucketIfNotExisting(bucketName);
        String accessToken = generateAccessToken();
        // ... 上传图片到阿里云 ...
        // ... 返回图片在阿里云上的地址(url) ...
    }

    @Override
    public Image download(String url) {
        String accessToken = generateAccessToken();
        // ... 从阿里云下载图片...
    }
}

// 上传下载流程改变: 私有云不需要支持 access token
public class PrivateImageStore implements ImageStore {

    private void createBucketIfNotExisting(String bucketName) {
        // ... 创建 bucket ...
        // ... 失败会抛出异常 ...
    }

    @Override
    public String upload(Image image, String bucketName) {
        createBucketIfNotExisting(bucketName);
        // ... 上传图片到私有云 ...
        // ... 返回图片的 url ...
    }

    @Override
    public Image download(String url) {
        // ... 从私有云下载图片 ...
    }
}

// ImageStore 的使用举例
public class ImageProcessingJob {

    private static final String BUCKET_NAME = "ai_images_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(...);
        imagestore.upload(image, BUCKET_NAME);
    }
}

除此之外，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：先把实现类写好，然后看实现类中有哪些方法，照抄到接口定义中
如果按照这种思考方式，就有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，只是将实现类的方法搬移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 generateAccessToken() 方法

2.4、总结

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，不要暴露任何实现细节，接口的定义只表明做什么，而不是怎么做
而且在设计接口的时候，我们要多思考一下，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的时候，不需要任何接口定义的改动

3、是否需要为每个类定义接口

看了刚刚的讲解，你可能会有这样的疑问
为了满足这条原则，我是不是需要给每个实现类都定义对应的接口呢？在开发的时候，是不是任何代码都要只依赖接口，完全不依赖实现编程呢？

做任何事情都要讲求一个 "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，也会导致不必要的开发负担
至于什么时候该为某个类定义接口，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
只要搞清楚了这条原则是为了解决什么样的问题而产生的，你就会发现，很多之前模棱两可的问题，都会变得豁然开朗

前面我们也提到，这条原则的设计初衷是：将接口和实现相分离，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，这样当实现发生变化的时候，上游系统的代码基本上不需要做改动，以此来降低代码间的耦合性，提高代码的扩展性

从这个设计初衷上来看

• 如果在我们的业务场景中，某个功能只有一种实现方式，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，直接使用实现类就可以了
• 除此之外，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