Java のインターフェース: 契約の定義と implements

インターフェースは契約

インターフェースは、クラスがどのように行うかを述べずに、何をできるかを宣言します。これは、実装するどのクラスも満たすと約束するメソッドシグネチャのリストです。要点は分離です。コードはインターフェース型を扱えばよく、その背後にどの具象クラスがあるかを気にする必要はありません。

interface Shape {
    double area();          // どの Shape も area を提供しなければならない
    double perimeter();
}

class Circle implements Shape {
    private final double radius;

    Circle(double radius) { this.radius = radius; }

    public double area() { return Math.PI * radius * radius; }
    public double perimeter() { return 2 * Math.PI * radius; }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Shape s = new Circle(2.0);
        System.out.printf("area %.2f, perimeter %.2f%n", s.area(), s.perimeter());
    }
}

Circle implements Shape は、Circle が area と perimeter を定義しなければならないことを意味します。定義してしまえば、Circle は Shape であるため、Shape 型の変数に格納できます。

多くのクラス、1 つの型

その威力は、無関係な複数のクラスが同じインターフェースを実装したときに現れます。Shape に対して書かれたコードは、それらすべてを扱えます。

import java.util.List;

interface Shape {
    double area();
}

class Circle implements Shape {
    private final double r;
    Circle(double r) { this.r = r; }
    public double area() { return Math.PI * r * r; }
}

class Rectangle implements Shape {
    private final double w, h;
    Rectangle(double w, double h) { this.w = w; this.h = h; }
    public double area() { return w * h; }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Shape> shapes = List.of(new Circle(1), new Rectangle(2, 3), new Circle(2));

        double total = 0;
        for (Shape shape : shapes) {
            total += shape.area();   // クラスが何であれ、どの Shape でも動作する
        }
        System.out.printf("total area: %.2f%n", total);
    }
}

このループは「これは Circle なのか Rectangle なのか?」とは一切尋ねません。単に area() を呼び出して契約を信頼します。後で Triangle を追加しても、ここでは何の変更も要りません。

複数のインターフェースの実装

クラスが継承できるクラスは 1 つだけですが、実装できるインターフェースの数に制限はありません。これが、Java が振る舞いの「多重継承」を安全に行う方法です。

interface Drawable { void draw(); }
interface Resizable { void resize(double factor); }

class Sprite implements Drawable, Resizable {
    private double scale = 1.0;

    public void draw() { System.out.println("drawing at scale " + scale); }
    public void resize(double factor) { scale *= factor; }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Sprite s = new Sprite();
        s.resize(2.0);
        s.draw();
    }
}

インターフェースは implements の後にカンマ区切りで並べます。クラスはそのすべてを満たさなければなりません。

default メソッドと static メソッド

Java 8 以降、インターフェースはメソッド本体を持てます。default メソッドは、実装クラスが無償で継承する（そしてオーバーライドできる）既製の実装を与えます。

interface Greeter {
    String name();

    default String greet() {        // 共有される実装
        return "Hello, " + name();
    }
}

class English implements Greeter {
    public String name() { return "world"; }
    // greet() はインターフェースから継承される
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new English().greet());
    }
}

default メソッドはインターフェースの進化を可能にします。既存のすべての実装者を壊すことなくメソッドを追加できます。対照的に static インターフェースメソッドは、Comparator.naturalOrder() のように、インターフェース自体に対して呼び出すユーティリティです。

定数

インターフェースのフィールドは暗黙的に public static final です。これらは定数であり、インスタンスの状態ではありません。

interface Physics {
    double GRAVITY = 9.81;   // automatically public static final
}

インターフェースは伝統的にオブジェクトごとの状態を持ちません。インスタンスフィールドがないことは、インターフェースをクラスと区別する要素の 1 つです。

関数型インターフェース

抽象メソッドをちょうど 1 つだけ持つインターフェースは関数型インターフェースであり、クラス全体ではなくラムダ式で実装できます。

interface Transformer {
    int apply(int x);
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Transformer doubler = x -> x * 2;     // ラムダが唯一のメソッドを実装する
        System.out.println(doubler.apply(21));
    }
}

これは Java のラムダと java.util.function の型（Function、Predicate、Supplier など）の基盤です。@FunctionalInterface アノテーションは意図を明示し、コンパイラに単一メソッドのルールを強制させます。

インターフェース vs 抽象クラス

どちらも抽象に対してプログラミングできますが、どちらをいつ選ぶべきでしょうか?

• インターフェース - 無関係なクラスが共有できる能力。Bird と Airplane はどちらも Flyable になれます。クラスは多数を実装できます。インスタンスの状態はありません。
• 抽象クラス - 密接に関連したクラス間で共有される状態とコード。Cat と Dog はどちらも Animal を継承し、共通のフィールドと部分的に実装されたメソッドを引き継ぎます。クラスは 1 つだけ継承します。

よくあるパターンはこの 2 つを組み合わせます。インターフェースが契約を定義し、抽象クラスが定型部分を実装することで、具象サブクラスは固有の部分だけを埋めればよくなります。

次: 抽象クラス

インターフェースは状態を持たずに振る舞いを定義します。抽象クラスはインターフェースと完全なクラスの中間に位置し、未実装のメソッドを宣言でき、なおかつフィールドとコンストラクタを持てます。それが次のページのテーマです。