Schnittstelle (Objektorientierung)

Eine Schnittstelle oder ein Interface (englisch interface oder protocol) definiert in der objektorientierten Programmierung, welche Methoden in den unterschiedlichen Klassen u. Ä. vorhanden sind oder vorhanden sein müssen. Sie legt die Namen und die Signatur der Methoden, also die Parametertypen und den Rückgabetyp, fest.

Eine Schnittstelle gibt an, welche Methoden vorhanden sind oder vorhanden sein müssen. Zusätzlich zu dieser syntaktischen Definition sollte ein so genannter Kontrakt über die Bedeutung (Semantik) definiert werden, festgelegt als Vorbedingungen und Nachbedingungen der verschiedenen Methoden. Der Kontrakt wird meist nur informell in der Dokumentation oder einer externen Spezifikation der Schnittstelle festgelegt. Es stehen auch formelle Spezifikationssprachen wie z. B. die OCL zur Verfügung. Einige Programmiersprachen, z. B. Eiffel, bieten auch unmittelbar syntaktische Möglichkeiten zur Festlegung eines Kontrakts.

Schnittstellen stellen eine Garantie über die in einer Klasse vorhandenen Methoden dar. Sie geben an, dass alle Objekte, die diese Schnittstelle besitzen, gleich behandelt werden können.

In einigen Programmiersprachen, die keine Mehrfachvererbung unterstützen, z. B. Java, können Schnittstellen verwendet werden, um Kompatibilitäten zwischen Klassen zu definieren, die nicht voneinander erben: Die Schnittstellenbeziehungen sind nicht an den strengen Klassenbaum gebunden. Dazu werden Schnittstellendeklarationen häufig explizit als solche markiert (etwa mit dem Schlüsselwort interface). Als Ersatz für Mehrfachvererbung eignen sich Schnittstellen allerdings nur eingeschränkt, da sie lediglich Methoden und deren Parameter definieren und keine direkte Vererbung von Funktionalität ermöglichen.

In Java gibt es mittlerweile die Möglichkeit, in Schnittstellen Methoden tatsächlich zu implementieren und als Standard (default) zu markieren. Dies ermöglicht die Definition von Funktionalität, die Klassen „erben“, die das Interface nutzen. Java-Interfaces entwickeln sich dadurch etwas näher in Richtung der Mehrfachvererbung.

Andere Programmiersprachen, die Mehrfachvererbung unterstützen, zum Beispiel C++, kennen zwar das Konzept von Schnittstellen, behandeln diese aber wie gewöhnliche Klassen. Man spricht dann auch von abstrakten Klassen. Manchmal wird auch eine eigene Sprache (eine sogenannte Schnittstellenbeschreibungssprache, IDL) zur Deklaration der Schnittstelle verwendet – meist ist das bei Middleware-Systemen wie CORBA oder DCOM der Fall. Objektbasierte Sprachen ohne strenge Typisierung kennen meist keine Schnittstellen.

In einigen Programmiersprachen wie Java oder PHP ist es möglich, Konstanten innerhalb einer Schnittstellendefinition zu deklarieren. Allen implementierenden Klassen stehen dann diese Konstanten zur Verfügung.

Im folgenden Beispiel in C# wird eine Schnittstelle Face mit den Methoden Move(...), Turn(...), Scale(...), GetArea(), SetColor(...), GetColor() deklariert. Die Klasse Polygon implementiert die Schnittstelle Face, was in C# mit der Notation Polygon : Face festgelegt wird. Die Klasse Polygon muss daher alle diese Methoden mit den angegebenen Parametertypen und Rückgabetypen implementieren. Die implementierten Methoden haben den Zugriffsmodifikator public.

public interface Face
{
	void Move(float x, float y);
	void Turn(float x, float y, double angle);
	void Scale(float factor);
	double GetArea();
	void SetColor(Color color);
	Color GetColor();
}



public class Polygon : Face
{
	private List<PointF> points;
	private Color color;
	
	public Polygon(List<PointF> points, Color color)
	{
		this.points = points;
		this.color = color;
	}
	
	public void Move(float x, float y)
	{
		for (int i = 0; i < points.Count; i++)
		{
			PointF point = points[i];
			points[i] = new PointF(point.X + x, point.Y + y);
		}
	}
	
	public void Turn(float x, float y, double angleInDegrees)
	{
		double angleInRadians = angleInDegrees * (Math.PI / 180);
		double cosine = Math.Cos(angleInRadians);
		double sine = Math.Sin(angleInRadians);
		for (int i = 0; i < points.Count; i++)
		{
			PointF point = points[i];
			points[i] = new PointF((float) (cosine * (point.X - x) - sine * (point.Y - y) + x), (float) (sine * (point.X - x) + cosine * (point.Y - y) + y));
		}
	}
	
	public void Scale(float factor)
	{
		for (int i = 0; i < points.Count; i++)
		{
			PointF point = points[i];
			points[i] = new PointF(factor * point.X, factor * point.Y);
		}
	}
	
	public double GetArea()
	{
		double area = 0.0;
		for (int i = 0; i < points.Count; i++)
		{
			PointF point1 = points[i];
			PointF point2 = points[(i + 1) % points.Count];
			area += (point1.Y + point2.Y) * (point1.X - point2.X);
		}
		return Math.Abs(area / 2.0);
	}
	
	public void SetColor(Color color)
	{
		this.color = color;
	}
	
	public Color GetColor()
	{
		return color;
	}
}

Bemerkungen: Die hier gezeigte Implementierung der Methode Turn(...) verwendet im Prinzip die Drehmatrix der Ebene. Die Implementierung der Methode GetArea() verwendet die Gaußsche Trapezformel.

Existiert beispielsweise eine Schnittstelle Konto mit der Methode abbuchen(), müssen alle Klassen, die diese Schnittstelle implementieren, über eine Methode abbuchen verfügen. Weiteres Beispiel: Eine Anzahl an Klassen mit den Namen SparKonto, GiroKonto und DepotKonto implementieren die Schnittstelle Konto. Die Schnittstelle hat eine Methode getKontostand, also müssen alle Klassen mit der Schnittstelle die Methode getKontostand bereitstellen.

Werden in einer Klasse mehrere Schnittstellen implementiert und besitzen deren Methoden gleiche Namen und gleiche Signatur (Parametertyp und Rückgabetyp), so muss der Zugriff und die Implementierung in einer Klasse mit einem qualifizierten Namen erfolgen, d. h. durch Voranstellen das Paketnamens (Java) oder des Namensraumes (.Net-Framework). Ein Beispiel in Java:

public interface Konto
{
    int getKontostand(); // abstrakte Signatur-Definition
}

public class SparKonto implements Konto
{
    private int kontostand;
    // Implementierung der durch Konto definierten Methode
    public int getKontostand()
    {
        return kontostand;
    }
    …
}

Java unterscheidet sich in einem weiteren Punkt gegenüber .NET-Sprachen darin, dass eine Klasse, die ein Interface implementiert, nicht explizit deklariert werden muss. Das folgende Beispiel definiert eine sogenannte anonyme innere Klasse innerhalb einer Methode.

public Konto erstelleKonto()
{
    return new Konto()
    { //Beginn der anonymen inneren Klasse
        // Implementierung der durch Konto definierten Methode
        public int getKontostand()
        {
            return 0;
        }
    }; //Ende der anonymen inneren Klasse
}

In einigen Programmiersprachen ist es üblich, Schnittstellen durch besondere Präfixe oder Suffixe erkennbar zu machen (Ungarische Notation). So wird häufig ein „I“ (für Interface) vorangestellt oder ein „IF“ beziehungsweise „Interface“ angehängt. Die oben angeführte Beispielschnittstelle Konto hieße dann IKonto, KontoInterface oder KontoIF.

Vorteile

• Schnittstellen sind am Namen als solche erkennbar.
• Implementierende Klassen können einen einfacheren Namen haben.

Nachteile

• Schnittstellen sollten nicht am Namen als solche erkannt werden, da man als Verwender anderer Objekte immer nur deren Schnittstelle (also öffentliche Methoden) bedenken sollte.^[1]
• Schnittstellen können als das wesentliche Element der Programmierung betrachtet werden. Daher ist es sinnvoller, die Namen der Implementierungen mit Präfixen oder Suffixen zu ergänzen.
• Schnittstellen sind besonders dann sinnvoll, wenn es mehr als eine Implementierung gibt, sodass die implementierenden Klassen ohnehin mit Präfixen und Suffixen benannt werden.

• Schnittstelle
• Programmierschnittstelle
• Schnittstelle (UML)
• Klasse (Objektorientierung)
• Vererbung (Programmierung)

1. ↑ Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides: Design Patterns. Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley, 1995, ISBN 0-201-63361-2, Seite 18