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@KenyaSaitoh(斉藤 賢哉)

12.1 インタフェースと多態性～新Java Basic編 / AI対応版

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Last updated at Posted at 2023-02-04

はじめに

自己紹介

皆さん、こんにちは、Udemy講師の斉藤賢哉です。私はこれまで、約30年にわたって企業システムの開発に携わってきました。現在も現役のアーキテクトとして、重要システムの技術設計やソリューションの選定を担当しています。直近では、システム開発へのAI適用（AI駆動開発）という全社的な施策でリーダーを務めています。
セミナーでの登壇や雑誌への技術記事の寄稿を行ってきたほか、以下の書籍も執筆しています。

Udemy講座のご紹介

この記事の内容は、私が講師を務めるUdemy講座『新 Java Basic編 / AI対応版』の一部の範囲をカバーしたものです。『新 Java Basic編 / AI対応版』はこちらのリンクから購入できます。

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  • 新人のシステムエンジニアとして、Javaの基礎を仕組みから身に付けたい方
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  • 「Oracle認定Javaプログラマ」の取得を目指し、Javaの基礎を固めたい方

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Udemy講座の演習を動かすための学習環境として、Windows向けのデスクトップアプリ「Codinable（コーディナブル）」をリリースしました。
エディタ、実行結果、テスト結果、SQL、Webブラウザ、そしてAIチャットを1つの画面にまとめた、オールインワンの学習環境です。

Codinableの画面構成

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AIに書き換えを指示し、差分を確かめてから実行する、というAI駆動開発の基本の流れを、Codinableの中だけで安全に体験できます。

AIチャットに書き換えを指示し、差分を確かめて実行する

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Codinableのインストーラは、以下のGitHubのReleasesページからダウンロードできます（64ビット版のWindows 10／11、管理者権限は不要）。

この記事を含むシリーズ全体像

この記事はJava SEの一部の機能・仕様を取り上げたものですが、一連のシリーズになっており、シリーズ全体でJava SEを網羅しています。また認定資格である「Oracle認定Javaプログラマ」（Silver、Gold）の範囲もカバーしています。シリーズの全体像および「Oracle認定Javaプログラマ」の範囲との対応関係については、以下を参照ください。

12.1 インタフェースと多態性

チャプターの概要

チャプター11.1では抽象クラスによる多態性を、チャプター11.2では委譲を取り上げました。本チャプターでは、実装と外部仕様を分離するための仕組みであるインタフェースを取り上げます。インタフェースは、クラスの階層とは無関係に「〜できる」という能力を付け加え、利用する側を実装クラスから切り離します。AIエージェントに設計を指示するときも、AIが書いたコードをレビューするときも、「どの型に依存しているか」は最も重要な観点の1つです。インタフェースの構造と、抽象クラスとの使い分けを図で整理します。

12.1.1 インタフェースによる外部仕様の分離

本レッスンでは、インタフェースの宣言と実装を読み、変数の型によって何が見えるのかを判断できるようになります。

クラスはモノ、インタフェースは外部仕様

インタフェースとは、外部から見たときの仕様（能力やスペック）を表す型です。クラスが「モノ」を表すのに対し、インタフェースは「ネット購入できる」「ダウンロードできる」といった能力を表すため、WebPurchasableやDownloadableのように「動詞＋able」の名前がよく付けられます。インタフェースもコンパイルされるとクラスファイルになり、変数・引数・戻り値の型として使えます。

ECサイトの商品モデルで、クラスとインタフェースの関係を示します。

商品モデルにおけるクラスとインタフェース

  • 生活雑貨・紙の書籍・電子書籍は、モノを表すクラスである
  • ネット購入可能とダウンロード可能は、外部仕様を表すインタフェースである
  • 3つのクラスは、すべてネット購入可能を実装する
  • 電子書籍だけはダウンロード可能も実装し、1つのクラスが2つの外部仕様を持つ

Webで購入する機能を作る人は「ネット購入可能」だけを、ダウンロード機能を作る人は「ダウンロード可能」だけを意識すれば済みます。これがチャプター11.1で取り上げた抽象化の考え方です。

宣言と実装の構造

インタフェースはinterfaceキーワードで宣言し、中心となるメンバーは抽象メソッドです。インタフェースの抽象メソッドは、修飾子を書かなくてもpublic abstractと見なされます。クラスはimplementsでインタフェースを実装し、そのすべての抽象メソッドをオーバーライドします。親クラスの継承と同時に書く場合は、class クラス名 extends 親クラス名 implements インタフェース名1, インタフェース名2のようにextendsを先に書きます。親クラスは1つだけですが、インタフェースは複数実装できます。

2つのインタフェースと2つの実装クラスの関係を示します。

インタフェースFoo・BarとクラスHoge・Piyoの関係

  • インタフェースFooはsayYes()を、インタフェースBarはsayHello()とsayGoodbye()を宣言する
  • HogeはFooだけをimplementsし、sayYes()を実装する
  • PiyoはFooとBarの両方をimplementsする
  • Piyoは、Foo由来のsayYes()、Bar由来のsayHello()とsayGoodbye()、独自のsayGoodnight()を持つ

クラス図では、インタフェースの実装を白抜きの三角と点線で表し、名前の上に<<interface>>と書きます。Piyoのコードを以下に示します。

  • 12_interface: pro.kensait.java.basic.lsn_12_1_1.Piyo
public class Piyo implements Foo, Bar {
    @Override
    public void sayYes() { //【1】
        System.out.println("Piyo says YES!");
    }
    @Override
    public void sayHello() { //【2】
        System.out.println("Piyo says Hello!");
    }
    @Override
    public void sayGoodbye() {
        System.out.println("Piyo says Goodbye!");
    }
    public void sayGoodnight() { //【3】
        System.out.println("Piyo says Goodnight!");
    }
}
  • Foo由来のsayYes()【1】と、Bar由来のsayHello()【2】・sayGoodbye()の3つの実装が必要になる
  • インタフェースのメソッドはpublicと見なされるため、実装するメソッドにもpublicが必要になる
  • sayGoodnight()【3】のように、インタフェースにないメソッドも追加できる

インタフェースの型は「窓」になる

Foo foo = new Piyo();のように、インスタンスは実装しているインタフェースの型の変数に代入できます。変数から呼び出せるのは、その型が宣言しているメソッドだけです。インタフェースは、インスタンスを見るための「窓」のように働きます。

1つのPiyoインスタンスを、異なる型の変数から見た様子を示します。

インタフェースの型によるインスタンスの見え方

  • 中央のヒープに1つのPiyoインスタンスがあり、sayYes()・sayHello()・sayGoodbye()・sayGoodnight()の4つのメソッドを持つ
  • 左上のFoo型の変数fooからは、sayYes()だけが見える
  • 左下のBar型の変数barからは、sayHello()とsayGoodbye()だけが見える
  • 右側のPiyo型の変数piyoからは、4つのメソッドすべてが見える
  • 3つの変数は、いずれも同じ1つのインスタンスを参照している

引数の型にインタフェースを使うと、メソッドは実装クラスを知らずに済みます。

void talk(Foo foo) { //【1】
    foo.sayYes();
}
void greet(Bar bar) { //【2】
    bar.sayHello();
    bar.sayGoodbye();
}
  • Piyoのインスタンスは、talk()【1】とgreet()【2】のどちらにも渡せる
  • greet()は、Barを実装したクラスのインスタンスであれば何でも受け取れ、その実装には関心がない
  • List<String> list = new ArrayList<>();（チャプター18.1参照）のように、変数をインタフェースの型で宣言するのも同じ考え方である

レビューの観点

  • 変数・引数・戻り値の型が、実装クラス（ArrayListなど）ではなく、必要な外部仕様を表すインタフェース（Listなど）になっているか
  • 実装クラスのメソッドが、インタフェースの名前が表す能力（Downloadableなら「ダウンロードできる」）どおりの振る舞いになっているか（形だけ実装して空のままになっていないか）
  • インタフェースの名前が、そのインタフェースの表す能力や役割を表しているか

12.1.2 クラスの階層と無関係な機能の追加

本レッスンでは、継承の階層では表せない「一部のクラスだけの共通機能」を、インタフェースでどう表すかを読み取れるようになります。

名寄せの機能を一部の顧客だけに持たせる

顧客モデルに、一般会員・ゴールド会員・プラチナ会員の3つの種別があり、すべて抽象クラスCustomerBaseを継承しているとします。ここに「同じ名前と住所の2人の顧客を1人に統合する（名寄せする）」機能を加えますが、対象は一般会員とゴールド会員だけです。CustomerBaseに実装するとプラチナ会員まで対象になってしまうため、名寄せに必要な外部仕様をNameAggregatorインタフェースとして定義し、対象のクラスだけに実装させます。

同様に、ゴールド会員とプラチナ会員だけが持つ家族会員の機能をFamilySpecインタフェースとして加えた、顧客モデル全体の構造を示します。

顧客モデルのクラスとインタフェースの関係

  • 3つの会員クラスは、抽象クラスCustomerBaseを継承する
  • GeneralCustomerとGoldCustomerは、名寄せのためのNameAggregatorを実装する
  • GoldCustomerとPlatinumCustomerは、家族会員のためのFamilySpecを実装する
  • GoldCustomerは、1つの親クラスと2つのインタフェースを同時に持つ

NameAggregatorインタフェースのコードを以下に示します。

  • 12_interface: pro.kensait.java.basic.lsn_12_1_2.NameAggregator
interface NameAggregator {
    String getName(); // 名前を取得する
    String getAddress(); // 住所を取得する
    int getPoint(); // ポイントを取得する
    void setPoint(int point); // ポイントを更新
    void invalidate(); // 状態を無効にする
}
  • 名寄せに必要な外部仕様だけを、5つの抽象メソッドとして宣言している
  • invalidate()以外はCustomerBaseから継承したメソッドが実装と見なされるため、GeneralCustomerとGoldCustomerに追加するのはinvalidate()だけで済む

インタフェースの型で受け取るユーティリティ

名寄せの処理は、ユーティリティクラスNameAggregatorsがNameAggregator型の引数で受け取ります。

  • 12_interface: pro.kensait.java.basic.lsn_12_1_2.NameAggregators
public static NameAggregator aggregate(NameAggregator n1, NameAggregator n2) {
    n1.setPoint(n1.getPoint() + n2.getPoint());
    n2.invalidate();
    return n1;
}
  • 引数の型がCustomerBaseではなくNameAggregatorのため、PlatinumCustomerを渡すとコンパイルエラーになる
  • 同じクラスのisSame()は、名前と住所の両方が一致するかを判定する

Mainで、同じ名前と住所を持つ一般会員のAlice（3000ポイント）とAlice（1000ポイント）を名寄せしたときの流れを示します。

NameAggregatorによる名寄せの流れ

  • 左側にNameAggregator型の変数alice1（ID 1、3000ポイント）とalice2（ID 2、1000ポイント）があり、実体はどちらもGeneralCustomerである
  • 中央のNameAggregators.isSame()が名前と住所の一致を確かめ、trueを返す
  • 続いてNameAggregators.aggregate()が、alice1のポイントを4000に更新し、alice2のinvalidate()を呼び出す
  • 右側の結果は、alice1が「point=4000、invalid=false」、alice2が「point=1000、invalid=true」である
  • 下部のPlatinumCustomerからaggregate()への矢印には「コンパイルエラー（NameAggregatorではない）」という×印が付いている

このように、インタフェースを使うと、継承の階層とは無関係に一部のクラスだけに機能を持たせ、その機能を使う処理を共通化できます。

レビューの観点

  • 一部のクラスにしか当てはまらない機能が、共通の親クラスに入れられていないか
  • インタフェースの抽象メソッドが、その機能に必要な外部仕様だけに絞られているか（無関係なメソッドが混ざっていないか）
  • 機能を使う処理の引数が、具体的なクラスや広すぎる親クラスではなく、そのインタフェースの型になっているか

12.1.3 インタフェースの様々なメンバーと抽象クラスとの使い分け

本レッスンでは、インタフェースが持てるメンバーと、抽象クラスとの違いを整理し、AIが選んだ構造の妥当性を判断できるようになります。

インタフェースが持てるメンバー

インタフェースは、抽象メソッドのほかに次のメンバーを持てます。

【表】インタフェースのメンバー

メンバー 書き方 意味・使いどころ
抽象メソッド void invalidate(); public abstractと見なされる。実装クラスに実装を強制する
定数 int MAX_NAME_LENGTH = 100; public static finalと見なされる。関連する定数をまとめる（列挙型はチャプター15.1参照）
デフォルトメソッド default boolean isFamily(...) { ... } 実装を持ち、実装クラスにそのまま引き継がれる
スタティックメソッド static boolean isSame(...) { ... } NameAggregator.isSame(a, b)のように呼ぶ。そのインタフェース向けのユーティリティ
privateメソッド private ... { ... } Java 9以降。インタフェースの中だけで使う処理

インタフェースはextendsで別のインタフェースを継承でき、クラスと違って複数を継承できます。

デフォルトメソッドの例として、FamilySpecのコードを以下に示します。

  • 12_interface: pro.kensait.java.basic.lsn_12_1_2.FamilySpec
interface FamilySpec {
    CustomerBase[] getFamily(); //【1】
    void setFamily(CustomerBase[] family);
    default boolean isFamily(CustomerBase target) { //【2】
        for (CustomerBase customer : getFamily()) {
            if (target.equals(customer)) return true;
        }
        return false;
    }
}
  • 家族会員の取得と設定【1】は、抽象メソッドとして実装クラスに任せている
  • isFamily()【2】は、getFamily()の呼び出しだけで完結するため、デフォルトメソッドとして実装している
  • getFamily()がnullを返すと、isFamily()の拡張for文でNullPointerExceptionが発生する（チャプター14.1で取り上げる）

メソッドの衝突

複数のインタフェースを実装すると、メソッドが衝突することがあります。戻り値の型とシグネチャ（メソッド名と引数の型の並び）が完全に同じなら、1つのメソッドで両方を実装できます。一方、シグネチャが同じで戻り値の型だけが異なる場合は、解決する手段がありません。

戻り値の型だけが異なる抽象メソッドの衝突を示します。

戻り値の型だけが異なる抽象メソッドの衝突

  • 上段左の<<interface>> Fooはint doSomething();を、上段右の<<interface>> BarはString doSomething();を宣言している
  • 下段のHogeクラスは、FooとBarの両方をimplementsしている
  • Hogeの中には、int doSomething()とString doSomething()の2つの実装が必要になる
  • 2つのメソッドはシグネチャが同じため、Hogeに「コンパイルエラー：同じシグネチャのメソッドは複数宣言できない」という×印が付いている

なお、2つのインタフェースが同じシグネチャのデフォルトメソッドを持つ場合は、実装クラスでそのメソッドをオーバーライドしなければコンパイルエラーになります。オーバーライドしたメソッドの中では、Foo.super.doSomething()のように、どちらのデフォルトメソッドを使うかを指定して呼び出せます。

抽象クラスとインタフェースの使い分け

抽象クラスとインタフェースは、どちらも多態性を実現しますが、表すものが異なります。

【表】抽象クラスとインタフェースの比較

観点 抽象クラス インタフェース
表す関係 is-a（〜である） can-do（〜できる）
1つのクラスが持てる数 1つ（継承） 複数（実装）
インスタンスフィールド 持てる 持てない（定数だけ）
コンストラクタ 持てる 持てない
主な用途 共通の状態と共通の実装 外部仕様、一部のクラスだけの能力

顧客モデルでの使い分けを示します。

抽象クラスとインタフェースの使い分け

  • 中央に抽象クラスCustomerBaseがあり、「共通の状態（id・name・point）と共通の実装」というラベルが付いている
  • CustomerBaseの下に、GeneralCustomer・GoldCustomer・PlatinumCustomerが継承の線で縦につながる（is-a）
  • 横方向にはNameAggregatorとFamilySpecが、それぞれ対象のクラスだけに点線でつながる（can-do）
  • 右下の注記は「縦の関係は1本だけ、横の能力は必要な数だけ」である

レビューの観点

  • 状態を持たない能力を表すだけなのに、抽象クラスにして継承の1枠を使っていないか
  • デフォルトメソッドに、実装クラスの状態を前提とした処理や、nullを考慮しない処理が書かれていないか
  • インタフェースの定数を使うためだけに、無関係なクラスにそのインタフェースを実装していないか
  • 複数のインタフェースを実装したクラスで、同じシグネチャのメソッドが意図どおりに解決されているか

このチャプターで学んだこと

本チャプターでは、以下を取り上げました。

  1. インタフェースは実装と外部仕様を分離する型であり、クラスはimplementsで複数のインタフェースを実装できること
  2. インタフェースの型の変数からは、その型が宣言したメソッドだけが見え、利用する側は実装クラスに依存しなくて済むこと
  3. インタフェースを使うと、継承の階層とは無関係に一部のクラスだけに機能を持たせ、その機能を使う処理を共通化できること
  4. インタフェースは抽象メソッドのほかに定数・デフォルトメソッド・スタティックメソッドを持てること、戻り値の型だけが異なるメソッドは衝突して実装できないこと
  5. 抽象クラスはis-aの関係と共通の状態・実装を、インタフェースはcan-doの能力を表すという使い分けの基準
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