Java 語言的設計有目的地進行了一定的刪減，以避免前代產(chǎn)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(gòu)建擴展性選項，僅依靠單一繼承和接口。

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(jié)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(jù)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(jù)類型和數(shù)據(jù)類型的新函數(shù)中，同時保留靜態(tài)類型安全（例如，沒有轉(zhuǎn)換）。

換句話說，您如何向一個分層結(jié)構(gòu)中的類添加功能，而不求助于類型轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)換方法擴展 Integer，使兩種格式之間的切換變得無關(guān)緊要。現(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(diào)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(diào)用。在 use 代碼塊中，我同等地調(diào)用新方法和內(nèi)置方法。該擴展在 use 代碼塊的詞法范圍內(nèi)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(gòu)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(diào)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(nèi)置方法之前調(diào)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(diào)用是一個內(nèi)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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。在執(zhí)行轉(zhuǎn)換之后，您就可以從幫助器隱式地調(diào)用該方法，而不是從原始類調(diào)用它。清單 5 中的示例使用了這種技術(shù)：

#p#

清單 5. Scala 的隱式轉(zhuǎn)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(gòu)造函數(shù)參數(shù)和兩個方法：asFt 和 asM。在擁有轉(zhuǎn)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(diào)用該方法，可以像調(diào)用原始類的一個方法那樣調(diào)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(zhuǎn)換，從而允許將調(diào)用類轉(zhuǎn)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(diào)用的括號，但這是一種語言特性而不是命名約定。

Scala 中的轉(zhuǎn)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(gòu)造函數(shù)參數(shù)（object 不允許這么做）。

Scala 中的隱式轉(zhuǎn)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(jié)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(zhì)上不是面向?qū)ο蟮模瞧蛴诤瘮?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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換：

user=> (println "1 foot is " (asM 1) " meters") 
1 foot is  0.3048  meters 

在清單6中，兩個轉(zhuǎn)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?qū)⒁唤M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(guān)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(jié)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(shù)（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(jié)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