インタフェース (抽象型)

インタフェース (英: Interface) インターフェースは、主にオブジェクト指向言語で用いられている、実装と分離された抽象型の一種である。抽象化されたプログラムの動作・振る舞い（behavior）を扱うための手法である。UMLクラス図の実現（realization）・実装（implementation）の関係に投影されたことで、OOPで重要視されるようになっている。より公式的にはプロトコル（Protocol）とも呼ばれ、それは関数型のモジュールシグネチャ（signature）や手続き型のモジュール仕様書（specification）などを包括している。

インターフェースの基本形はメソッドシグネチャの集合体であり、概ね以下の項目で構成される。

1. インターフェース名。記名的型付けでの識別を前提にしている。
2. 「リターン型＋メソッド名＋パラメータリスト」のメソッド定義。メソッド実装（コードブロック）は除外される。
3. 各メソッドからスローされる例外クラスの宣言。
4. 専用の定数。

インターフェースの使用はJavaやC#が有名であり、それらの言語では、メソッド実装＝実装継承の多重継承をサポートしない代わりに、メソッド定義集合＝純粋な界面継承の多重継承をサポートすることにしている。純粋な界面継承を表現する機能がインターフェースになった。インターフェース型の変数には、その実装が宣言された各クラスのインスタンスが代入されて、どれが代入されるかは実行時に決定される。これは変数のサブタイピングのポリモーフィズムになり、多様なオブジェクトを一つのインターフェースで扱える効用がある。

概要

オブジェクト指向プログラミングにおいて、多重継承はプログラミングの自由度と柔軟性を向上する。C++は「実装の多重継承」をサポートし、クラスは複数のスーパークラス（基底クラス）を持つことができる。しかし、実装の多重継承は菱形継承問題などの欠点を抱えている。実装の多重継承の問題点を回避するためにC++は仮想継承の仕組みを導入したが、これはプログラミング言語仕様が複雑化する原因となった。しかし、「型の多重継承」に限れば、問題点の多くは回避でき、また言語仕様もシンプルになる。JavaおよびC#では、実装の継承は単一継承に制限したうえで、代わりに具体的な実装を持たないインタフェースによる型の多重継承の仕組みを導入し、多重継承問題に対する解決策を提供している。

インタフェース自身はインスタンス化（実体化）することができないが、任意のクラスにてインタフェースを実装することで、そのクラスのインスタンスは当該インタフェースとして振る舞うことが可能となる。これはリスコフの置換原則に忠実な継承の用法である。これは純粋な界面継承と（interface inheritance）と言われる。UMLクラス図では実装（implementation）の関係に投影されている。90年代OOPの原則セットGRASPでは保護的変容（protected variations）に該当される。

JavaおよびC#では、抽象メソッド（実装を持たないメソッド宣言）を持ち、実体化できないクラス（抽象クラス）を定義することも可能であるが、抽象クラスは実装を持つことも可能であり、インタフェースと違って多重継承することはできない。こちらは界面継承と実装継承（implementation inheritance）の混合になる。UMLクラス図では特化（specification）の関係に投影されている。GRASPでは多態性（polymorphism）に該当される。

インターフェースは、2000年代OOPの原則セットSOLIDで特に重視されるようになっている。依存性逆転の原則では、Mix-inの作法をインターフェースの用法に適用しており、Mix-inでのトレイトの役割を持たせたインターフェースを、機能提供の依存対象としてクラスに結合（注入）するデザインパターンが提唱されている。GRASPはこれを純粋造形（pure fabrication）として予告提唱していた。その際のインターフェースは、ドメイン駆動設計のサービスに相当するものになる。

Java

Javaのインタフェースは、暗黙的にpublicな抽象メソッドのみを持つことが許される参照型である。定数および入れ子になった型の定義は許される。Javaではクラスの継承にextendsキーワードを使用するが、インタフェースの実装にはimplementsキーワードを使用する。インタフェースを拡張して新たなインタフェースを派生させるときはextendsキーワードを使う。

// 「飛ぶ」ことができるもの全般を表すインタフェース。
interface Flyable {
    void fly();
}

// 動物の抽象基底クラス。
abstract class Animal {
}

// 鳥類の抽象基底クラス。空を飛べないダチョウやペンギンも含まれる。
abstract class Bird extends Animal {
}

// 飛べる鳥類の抽象基底クラス。
abstract class FlyingBird extends Bird implements Flyable {
}

// ワシの具象クラス。
class Eagle extends FlyingBird {
    @Override
    public void fly() { System.out.println("Eagle.fly()"); }
}

// 哺乳類の抽象基底クラス。
abstract class Mammal extends Animal {
}

// 飛べる哺乳類の抽象基底クラス。
abstract class FlyingMammal extends Mammal implements Flyable {
}

// コウモリの具象クラス。
class Bat extends FlyingMammal {
    @Override
    public void fly() { System.out.println("Bat.fly()"); }
}

// 航空機の抽象基底クラス。自力で航行できないグライダーも含まれる。
abstract class Aircraft {
}

// エンジンを搭載した飛行機の具象クラス。
class Airplane extends Aircraft implements Flyable {
    @Override
    public void fly() { System.out.println("Airplane.fly()"); }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        final Flyable[] flyables = {
            new Eagle(),
            new Bat(),
            new Airplane(),
        };
        for (final Flyable obj : flyables) {
            obj.fly();
        }
    }
}

上記では、互いに異なる基底クラスを持つ派生クラス群であっても、Flyableインタフェースを導入することで一様に扱うことができる例を示している。

Javaの列挙型は抽象クラスjava.lang.Enumから暗黙的に派生する参照型であり、任意のインタフェースを実装することができる。

なお、Java 8以降ではインタフェースのデフォルトメソッドにより、実装の多重継承も限定的にサポートするようになった。また、インタフェースが静的メソッドを持つこともできるようになった。Java 8で導入されたラムダ式およびメソッド参照は、実装すべきメソッドをひとつだけ持つ「関数型インタフェース」(functional interface) によって実現されている。

C#

C#のインタフェースは、概ねJava同様であり、暗黙的にpublicな抽象メソッド、抽象プロパティ、抽象インデクサのみを持つことが許される参照型である。ただし、定数および入れ子になった型の定義は許されない。インタフェース名はIで始めることが推奨されている。言語の機能や設計の観点から言うと、C#のインタフェースにはDelphi (Object Pascal) のインタフェースの影響が強く見られる。

C#の構造体は抽象クラスSystem.ValueTypeから暗黙的に派生する値型であり、基底クラスを明示的に指定することはできないが、任意のインタフェースを実装することはできる。C#の列挙型は抽象クラスSystem.Enumから暗黙的に派生する値型であるが、構造体とは違って任意のインタフェースを実装することはできない。構造体および列挙型のインスタンスは、実装されたインタフェース型の変数に暗黙的に代入できるが、型変換（キャスト）の際にボックス化が発生する。

usingステートメントで使用できるSystem.IDisposableのように、構文上特別扱いされるようになるインタフェース型もある。

また、C#ではGuid属性（System.Runtime.InteropServices.GuidAttributeクラス）により、インタフェースやクラスにGUIDを付加することができる。.NET Frameworkのインタフェースやクラスを含むアセンブリをCOMコンポーネントとして公開し、C++ネイティブコードやVBScript/JScriptといった従来のCOM/OLE対応言語などから利用するCOM相互運用も可能である。

その他言語とテクノロジ

C++ではpublicな純粋仮想関数および純粋仮想デストラクタのみを持つクラス（あるいは構造体）を定義することで、JavaやC#のインタフェースを模倣し、多重継承の欠点を回避することもできる。

マイクロソフトのComponent Object Model (COM) は、プログラミング言語を問わず再利用可能なソフトウェアコンポーネントを作成するために用いられる技術であり、COMインタフェースはIUnknown派生の実装を持たない抽象型として、COMサーバーとCOMクライアントをつなぐ役割を果たす。COMの思想や概念はのちに.NET FrameworkやWindowsランタイムにも受け継がれることになった。

関連項目

• 抽象型
• ポリモーフィズム
• サブタイピング
• 継承
• クラス