Ace of the ACES: Introduction to C# Inferface

Introduction to C# Inferface
关键字：C# 接口 泛型编程 面向对象
C#和Java中接口(interface)都是一个十分重要的概念。
什么是接口？按照我的理解，每一个接口代表从一类数据结构对象中抽象出来的一组公共操作。比如接口IComparable，表示可比较操作，C#中绝大多数预定义的基本数据类型都支持该操作，相应的，它们都从IComparable中派生出来。又比如System.String类，它支持的操作有可比较、可枚举、可复制、可转换。于是MSDN文档中，C# String类的定义如下:
public sealed class String : IComparable, ICloneable, IConvertible, IEnumerable
前面提到派生这个词，实际上，接口就是类的一个子集。接口中定义的函数隐式地被认为是抽象和公有的。这样，定义一个接口的时候，这需要提供成员函数的返回类型和参数列表（其余的不用也不能提供），其作用相当于一个占位符（但是和抽象基类中的abstract成员函数还是有所区别）。
由于接口的定义属于申明性质的，即没有提供任何的方法，于是实现接口的工作就交给了接口上层的具体数据接口来完成。这样的好处是显而易见的：首先，接口把这类数据结构的公共操作抽象出来，形成相同的函数接口，便于统一进行操作，这在后面的例子中会有充分的体现；其次，实现不同数据结构的统一操作可以大大简化算法的设计，不同内部存储形式的型别（顺序访问型、随机访问型、树型、网格型）只要按照某一接口的设计格式抽象成一致的函数，就能用同一个函数把它们在逻辑上相同的操作（比如遍历、比较等等）封装起来。Array和ArrayList是两个存储结构完全不同的类型，但在逻辑上确实相似的。用foreach函数对他们的遍历得到的结果都是一样的，这就要归公于接口这个伟大的设计概念。还有一个好处就是，接口只提供访问，不提供具体干什么。还是如上例，foreach返回的只是一个指向实际数据的引用，具体是要输出该数据还是修改该数据完全取决于调用者本身的意愿。（在后面的例子中细说）特别值得一提是，上面所说的一切“数据”都是一个泛泛的概念，并不涉及到底是哪一种数据。这大概就是所谓的泛型编程吧(Generic Programming)。
以前我在用C++编写数据结构算法时，不知道接口这个概念。同一种相同的访问需求由于具体操作（如输出到屏幕还是文件）的不同而要写成多个不同的函数，后来使用函数指针的概念使之得到了改进（即把进行某种操作的函数以函数指针的形式通过参数的形式传递给遍历函数。现在发现，通过接口这个概念进行的设进似乎更为优雅。
下面以二叉搜索树(Binary Search Tree)为例说明这种思想的优越性。
C#中已人为定义好一个二叉搜索树的类。该类现在能实现的操作是插入数据和中序遍历（输出的结果为升序序列）。在主函数中可以调用成员函数void inorderTraversal(void)来完成中序遍历并输出到屏幕的动作。现在看起来似乎没有实现接口的必要。但是如果接下来又想增加输出到文件、每个元素自增1的动作则让人十分头疼。为什么呢？具体的操作是包含在inorderTraversal中的，所谓的紧耦合（tight coupling）关系。要改变操作就得改变整个inorderTraversal，即使只是一行代码而已！当然可以用前面提到的函数指针来解决，但是那是在C++中，C#连指针都取消了，至于函数指针就我现在不到半个月的C#经历而言实在无从得知。所幸的是，接口为我们提供优雅的解决方案。只要能像Array/ArrayList一样实现IEnumerable接口，就能使用foreach控制语句简洁的完成遍历操作。
在主函数中我们的目标如下
BinaryTree bt=new BinaryTree();
foreach(TreeNode tn in bt)
Console.Write(tn.ToString()+‘ ‘);           //屏幕输出
foreach(TreeNode tn in bt)
m_writer.WriteLine (tn.ToString()+‘ ‘);    //写入文件
foreach(TreeNode tn in bt)
do_some_other_things(tn.Value)               //修改数据
要实现IEnumerable接口，查阅文档可以得到相关方法。
public class BinaryTree : IEnumerable    //BinaryTree从IEnumerable派生
{
...
public IEnumerator GetEnumerator()   //实现IEnumerable定义的抽象函数
{
m_seq.Clear(); sequence_number=0;
this.inorderSeq();                  //内部方法，以支持中根遍历的顺序
return new BTEnumerator(m_seq, sequence_number);
//调用BTEnumerable类的构造函数
}
}
根据文档的说明，实际操作遍历的其实是一个接口IEnumerator的派生类。IEnumerator也是一个接口，提供3个方法用以支持遍历。分别是Current（属性Property，返回当前的数据元素的引用）、MoveNext()（函数，把Current移动到下一个元素）、Reset()（重置到第一个元素的前一位置）。这里我把这个派生类命名为
BTEnumerable。它的实现是关键：
class BTEnumerator : IEnumerator
{
...
public BTEnumerator(Hashtable hash, int max_number)
{
...           //构造函数
}
//提供基接口抽象函数的实现
public object Current
{   get {   return m_hash[m_curr];  }   }
public void Reset()
{   m_curr=-1; }
public bool MoveNext()
{   return ++m_curr}
OK，这样就完全实现了IEnumerable接口，可以用foreach对BinaryTree进行任意合理操作了。
下面，我们还可以手工模拟foreach操作：
IEnumerator iter=bt.GetEnumerator();
while(iter.MoveNext())
Console.Write(iter.Current.ToString()+‘,‘);
首先取得一个迭代器，然后利用该迭代器进行迭代操作。