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Java 語言的設計有目的地進行了一定的刪減，以避免前代產品中已發(fā)現(xiàn)的一些問題。例如，Java 語言的設計人員感覺 C++ 中的多重繼承性帶來了太多復雜性，所以它們選擇不包含該特性。事實上，他們在該語言中很少構建擴展性選項，僅依靠單一繼承和接口。
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其他語言（包括 Java 下一代語言）存在巨大的擴展?jié)摿?。在本期和接下來的兩期文章中，我將探索擴展 Java 類而不涉及繼承性的途徑。在本文中，您會了解如何向現(xiàn)有類添加方法，無論是直接還是通過語法糖 (syntactic sugar)。
表達式問題
表達式問題是最近的計算機科學歷史上的一個眾所周知的觀察結果，首創(chuàng)于貝爾實驗室的 Philip Wadler 的一篇未發(fā)表的論文（參見 參考資料）。（Stuart Sierra 在其 developerWorks 文章 “通過 Clojure 1.2 解決表達式問題” 中出色地解釋了它。在這篇文章中，Wadler 說道：
表達式問題是老問題的新名字。我們的目標是通過案例定義數(shù)據類型，在這里，在不重新編譯現(xiàn)有代碼的情況下，您可以將新的案例添加到數(shù)據類型和數(shù)據類型的新函數(shù)中，同時保留靜態(tài)類型安全（例如，沒有轉換）。
換句話說，您如何向一個分層結構中的類添加功能，而不求助于類型轉換或 if 語句？
我們將通過一個簡單的例子來表明表達式問題在真實世界中的表現(xiàn)形式。假設您公司始終假設應用程序中的長度單位為米，沒有在您的類中為任何其他長度單位構建任何功能。但是，有一天，您公司與一家競爭對手合并了，而這個競爭對手始終假設長度單位為英尺。
解決該問題的一種方法是，通過使用轉換方法擴展 Integer，使兩種格式之間的切換變得無關緊要?，F(xiàn)代語言提供了多種解決方案來實現(xiàn)此目的；在本期中，我將重點介紹其中的 3 種：
- 開放類
- 包裝器類
- 協(xié)議
Groovy 的類別和 ExpandoMetaClass
Groovy 包含兩種使用開放類 擴展現(xiàn)有的類的不同方式，“重新開放” 一個類定義來實現(xiàn)更改（例如添加、更改或刪除方法）的能力。
類別類
類別類（一種借鑒自 Objective-C 的概念）是包含靜態(tài)方法的常規(guī)類。每個方法至少接受一個參數(shù)，該參數(shù)表示方法擴充的類型。如果希望向 Integer 添加方法，例如我需要接受該類型作為第一個參數(shù)的靜態(tài)方法，如清單 1 所示：
清單 1. Groovy 的類別類
- class IntegerConv {
- static Double getAsMeters(Integer self) {
- self * 0.30480
- }
- static Double getAsFeet(Integer self) {
- self * 3.2808
- }
- }
清單 1 中的 IntegerConv 類包含兩個擴充方法，每個擴充方法都接受一個名為 self（一個通用的慣用名稱）的 Integer 參數(shù)。要使用這些方法，我必須將引用代碼包裝在一個 use 代碼塊中，如清單 2 所示：
清單 2. 使用類別類
- @Test void test_conversion_with_category() {
- use(IntegerConv) {
- assertEquals(1 * 3.2808, 1.asFeet, 0.1)
- assertEquals(1 * 0.30480, 1.asMeters, 0.1)
- }
- }
清單 2 中有兩個特別有趣的地方。首先，盡管 清單 1 中的擴展方法名為 getAsMeters()，但我將它稱為 1.asMeters。Groovy 圍繞 Java 中的屬性的語法糖使我能夠執(zhí)行 getAsMeters() 方法，好像它是名為 asMeters 的類的一個字段一樣。如果我在擴展方法中省略了 as，對擴展方法的調用需要使用空括號，就像 1.asMeters() 中一樣。一般而言，我喜歡更干凈的屬性語法，這是編寫特定于域的語言 (DSL) 的一種常見技巧。
清單 2 中第二個需要注意的地方是對 asFeet 和 asMeters 的調用。在 use 代碼塊中，我同等地調用新方法和內置方法。該擴展在 use 代碼塊的詞法范圍內是透明的，這很好，因為它限制了擴充（有時是一些核心）類的范圍。
ExpandoMetaClass
類別是 Groovy 添加的第一種擴展機制。但事實證明對構建 Grails（基于 Groovy 的 Web 框架）而言，Groovy 的詞法范圍限制太多了。由于不滿類別中的限制，Grails 的創(chuàng)建者之一 Graeme Rocher 向 Groovy 添加了另一種擴展機制：ExpandoMetaClass。
ExpandoMetaClass 是一種懶惰實例化的擴展持有者，它可從任何類 “成長” 而來。清單 3 展示了如何使用 ExpandoMetaClass，為我的 Integer 類實現(xiàn)我的擴展：
清單 3. 使用 ExpandoMetaClass 擴展 Integer
- class IntegerConvTest{
- static {
- Integer.metaClass.getAsM { ->
- delegate * 0.30480
- }
- Integer.metaClass.getAsFt { ->
- delegate * 3.2808
- }
- }
- @Test void conversion_with_expando() {
- assertTrue 1.asM == 0.30480
- assertTrue 1.asFt == 3.2808
- }
- }
在 清單 3 中，我使用 metaClass holder 添加 asM 和 asFt 屬性，采用與 清單 2 相同的命名約定。對 metaclass 的調用出現(xiàn)在測試類的一個靜態(tài)初始化器中，因為我必須確保擴充操作在遇到擴展方法之前發(fā)生。
類別類和 ExpandoMetaClass 都在內置方法之前調用擴展類方法。這使您能夠添加、更改或刪除現(xiàn)有方法。清單 4 給出了一個示例：
清單 4. 取代現(xiàn)有方法的擴展類
- @Test void expando_order() {
- try {
- 1.decode()
- } catch(NullPointerException ex) {
- println("can't decode with no parameters")
- }
- Integer.metaClass.decode { ->
- delegate * Math.PI;
- }
- assertEquals(1.decode(), Math.PI, 0.1)
- }
清單4 中的第一個 decode() 方法調用是一個內置的靜態(tài) Groovy 方法，它設計用于更改整數(shù)編碼。正常情況下，它會接受一個參數(shù)；如果調用時沒有任何參數(shù)，它將拋出 NullPointerException。但是，當我使用自己的 decode() 方法擴充 Integer 類時，它會取代原始類。
Scala 的隱式轉換
Scala 使用包裝器類 來解決表達式問題的這個方面。要向一個類添加一個方法，可將它添加到一個幫助類中，然后提供從原始類到您的幫助器的隱式轉換。在執(zhí)行轉換之后，您就可以從幫助器隱式地調用該方法，而不是從原始類調用它。清單 5 中的示例使用了這種技術：
#p#
清單 5. Scala 的隱式轉換
- class UnitWrapper(i: Int) {
- def asFt = {
- i * 3.2808
- }
- def asM = {
- i * 0.30480
- }
- }
- implicit def unitWrapper(i:Int) = new UnitWrapper(i)
- println("1 foot = " + 1.asM + " meters");
- println("1 meter = " + 1.asFt + "foot")
在清單5中，我定義了一個名為 UnitWrapper 的幫助器類，它接受一個構造函數(shù)參數(shù)和兩個方法：asFt 和 asM。在擁有轉換值的幫助類后，我創(chuàng)建了一個 implicit def，實例化一個新的 UnitWrapper。要調用該方法，可以像調用原始類的一個方法那樣調用它，比如 1.asM。當 Scala 未在 Integer 類上找到 asM 方法時，它會檢查是否存在隱式轉換，從而允許將調用類轉換為一個包含目標方法的類。像 Groovy 一樣，Scala 擁有語法糖，因此我能夠省略方法調用的括號，但這是一種語言特性而不是命名約定。
Scala 中的轉換幫助器通常是 object 而不是類，但我使用了一個類，因為我希望傳遞一個值作為構造函數(shù)參數(shù)（object 不允許這么做）。
Scala 中的隱式轉換是一種擴充現(xiàn)有類的精妙且類型安全的方式，但不能向開放類一樣，使用這種機制更改或刪除現(xiàn)有方法。
Clojure 的協(xié)議
Clojure 采用了另一種方法來解決表達式問題的這個方面，那就是結合使用 extend 函數(shù)和 Clojure 協(xié)議 抽象。協(xié)議在概念上類似于一個 Java 接口：一個沒有實現(xiàn)的方法簽名集合。盡管 Clojure 實質上不是面向對象的，而是偏向于函數(shù)，但您可以與類進行交互（并擴展它們），并將方法映射到函數(shù)。
為了擴展數(shù)字以添加轉換，我定義了一個協(xié)議，它包含我的兩個函數(shù)（asF 和 asM）。我可使用該協(xié)議 extend 一個現(xiàn)有類（比如 Number）。extend 函數(shù)接受目標類作為第一個參數(shù)，接受該協(xié)議作為第二個參數(shù)，以及一個使用函數(shù)名為鍵并使用實現(xiàn)（以匿名函數(shù)形式）為值的映射。清單 6 顯示了 Clojure 單位轉換：
清單 6. Clojure 的擴展協(xié)議
- (defprotocol UnitConversions
- (asF [this])
- (asM [this]))
- (extend Number
- UnitConversions
- {:asF (fn [this] (* this 3.2808))
- :asM #(* % 0.30480)})
我可以在 Clojure REPL（interactive read-eval-print loop，交互式讀取-重新運算-打印循環(huán)）上使用新的擴展來驗證該轉換：
- user=> (println "1 foot is " (asM 1) " meters")
- 1 foot is 0.3048 meters
在清單6中，兩個轉換函數(shù)的實現(xiàn)演示了匿名函數(shù)聲明的兩種語法變體。每個函數(shù)只接受一個參數(shù)（asF 函數(shù)中的 this）。單參數(shù)函數(shù)很常見，以至于 Clojure 為它們的創(chuàng)建提供了語法糖，如 AsM 函數(shù)中所示，其中 % 是參數(shù)占位符。
協(xié)議創(chuàng)建了一種將方法（以函數(shù)形式）添加到現(xiàn)有類中的簡單解決方案。Clojure 還包含一些有用的宏，使您能夠將一組擴展整合在一起。例如，Compojure Web 框架（參見參考資料）使用協(xié)議擴展各種類型，以便它們 “知道” 如何呈現(xiàn)自身。清單 7 顯示了來自 Compojure 中的 Renderable 的一段代碼：
清單 7. 通過協(xié)議擴展許多類型
- (defprotocol Renderable
- (render [this request]
- "Render the object into a form suitable for the given request map."))
- (extend-protocol Renderable
- nil
- (render [_ _] nil)
- String
- (render [body _]
- (-> (response body)
- (content-type "text/html; charset=utf-8")))
- APersistentMap
- (render [resp-map _]
- (merge (with-meta (response "") (meta resp-map))
- resp-map))
- IFn
- (render [func request]
- (render (func request)
- ; . . .
在清單 7中，Renderable 協(xié)議是使用單個 render 函數(shù)來定義的，該函數(shù)接受一個值和一個請求映射作為參數(shù)。Clojure 的 extend-protocol 宏（它可用于將協(xié)議定義分組到一起）接受類型和實現(xiàn)對。在 Clojure 中，您可使用下劃線代替不關心的參數(shù)。在清單7 中，這個定義的可看見部分為 nil、String、APersistentMap 和 IFn（Clojure 中的函數(shù)的核心接口）提供了呈現(xiàn)指令。（該框架中還包含其他許多類型，但為節(jié)省空間，清單中省略了它們。）可以看到這在實踐中非常有用：對于您可能需要呈現(xiàn)的所有類型，您可將語義和擴展放在一起定義。
結束語
在本期中，我介紹了表達式問題，剖析了 Java 下一代語言如何處理以下方面：現(xiàn)有類的干凈擴展。每種語言都使用一種不同的技術（Groovy 使用開放類，Scala 使用包裝器類，而 Clojure 實現(xiàn)了協(xié)議）來實現(xiàn)類似的結果。
但是，表達式問題比類型擴充更深刻。在下一期中，我將繼續(xù)討論使用其他協(xié)議功能、特征和 mix-in 的擴展。
原文鏈接：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jn5/index.html
名稱欄目：Java下一代:沒有繼承性的擴展，第1部分
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