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Java面向对象设计最佳实践 - 枚举设计

2010-11-03 14:24 543 查看
对枚举类型印象大多来自于C 语言,在 C 语言中,枚举类型是一个 HardCode (硬编码)类型,其使用价值并不大。因此,在 Java 5 之前,枚举是被抛弃的。然而 Java 5 以后的发现版本开始对枚举进行支持,枚举的引入给 Java 世界带来了争议。
笔者比较赞同引入枚举,作为一门通用的静态编程语言,应该是海纳百川的(因此笔者赞成闭包进入Java 7 ),多途径实现功能。
如果您不了解枚举的用法,建议参考笔者以前网络资源,了解基本的用法。地址为: http://mercyblitz.blog.ccidnet.com/blog-htm-do-showone-uid-45914-type-blog-itemid-189396.html
枚举是一种特殊的(受限制的)类,它具有以下特点:

可列性

常量性

强类型

类的特性

留下一个问题-怎么利用这些枚举特点,更好为设计服务呢?根据这些特点,下面向大家分别得介绍设计技巧。
一、 可列性
在设计中,必须搞清楚枚举 使用场景 。 枚举内部成员都是可列的,或者说固定的。这种硬编码的形式,看上去令人觉得不自在,不过这就是枚举。如果需要动态(不可列)的成员话,请不好使用枚举。
JDK提供不少良好的可列性设计枚举。比如时间单位 java.util.concurrent.TimeUnit 和线程状态枚举 java.lang.Thread.State 。

假设有一个游戏难度枚举,有三种难度NORMAL , MEDIUM, HARD

Java代码



/** * 游戏中的难度枚举:NORMAL , MEDIUM, HARD * * @author mercyblitz */ public enum Difficulty { NORMAL, MEDIUM, HARD //注意:枚举成员命名,请使用英文大写形式 }
/**

* 游戏中的难度枚举:NORMAL , MEDIUM, HARD

*

* @author mercyblitz

*/

public enum Difficulty {

NORMAL, MEDIUM, HARD //注意:枚举成员命名,请使用英文大写形式

}


如果要添加其他成员,只能通过硬编码的方法添加到枚举类。回到枚举Difficulty,低版本的必定会影响二进制兼容性。对于静态语言来说,是无法避免的,不能认为是枚举的短处。

二、 常量性
之所以定性为常量性,是因为枚举是不能改变,怎么证明成员其不变呢?利用上面的Difficulty枚举为例,一段简单的代码得到其原型,如下:

Java代码



package org.mercy.design.enumeration;

import java.lang.reflect.Field;

/**

* Difficulty 元信息

* @author mercy

*/

public class MetaDifficulty {

public static void main(String[] args) {

MetaDifficulty instance = new MetaDifficulty();

// 利用反射连接其成员的特性

Class<Difficulty> classDifficulty = Difficulty.class;

for (Field field : classDifficulty.getFields()) {

instance.printFieldSignature(field);

System.out.println();

}

}

/**

* 打印字段 签名(signature)

*

* @param field

*/

private void printFieldSignature(Field field) {

StringBuilder message = new StringBuilder("字段 ")

.append(field.getName())

.append(" 的签名:")

.append(field.toString())

.append("/t");

System.out.print(message);

}

package org.mercy.design.enumeration;

import java.lang.reflect.Field;

/**
* Difficulty 元信息
* @author mercy
*/
public class MetaDifficulty {

public static void main(String[] args) {
MetaDifficulty instance = new MetaDifficulty();
// 利用反射连接其成员的特性
Class<Difficulty> classDifficulty = Difficulty.class;
for (Field field : classDifficulty.getFields()) {
instance.printFieldSignature(field);
System.out.println();
}
}

/**
* 打印字段 签名(signature)
*
* @param field
*/
private void printFieldSignature(Field field) {
StringBuilder message = new StringBuilder("字段  ")
.append(field.getName())
.append(" 的签名:")
.append(field.toString())
.append("/t");
System.out.print(message);
}

}


printFieldSignature 方法输出枚举 Difficulty的字段,其结果为:
字段 NORMAL 的签名:public static final org.mercy.design.enumeration.Difficulty org.mercy.design.enumeration.Difficulty.NORMAL
字段 MEDIUM 的签名:public static final org.mercy.design.enumeration.Difficulty org.mercy.design.enumeration.Difficulty.MEDIUM
字段 HARD 的签名:public static final org.mercy.design.enumeration.Difficulty org.mercy.design.enumeration.Difficulty.HARD

这个结果得出了两个结论,其一,每个枚举成员是枚举的字段。其二,每个成员都被 public static final。凡是 static final 变量都是 Java 中的“常量”,其保存在常量池中。根据其常量性和命名规则,建议全大写命名每个枚举的成员(前面提到)。
常量性提供了数据一致性,不必担心被被其他地方修改,同时保证了线程安全。因此在设计过程中,不必担心线程安全问题。
枚举类型是常量,那么在判断是可以使用== 符号来做比较。可是如果枚举成员能够克隆 (Clone) 的话 , 那么 == 比较会失效,从而一致性不能得到保证。如果按照类的定义方法,考虑枚举的话,那么枚举类是集成了 java.lang.Object 类,因此,它继承了 protected java.lang.Object clone() 方法,也就是说支持 clone ,虽然需要通过反射的手段去调用。 Java 语言规范提到,每个枚举继承了 java.lang.Enum<E> 抽象基类。
提供一段测试代码来验明真伪:

Java代码



/**

* 指定的类是枚举java.lang.Enum<E>的子类吗?

*

* @param klass

* @return

*/

private boolean isEnum(Class<?> klass) {

Class<?> superClass = klass.getSuperclass();

while (true) { // 递归查找

if (superClass != null) {

if (Enum.class.equals(superClass))

return true;

} else {

break;

}

superClass = superClass.getSuperclass();

}

return false;

}

/**
* 指定的类是枚举java.lang.Enum<E>的子类吗?
*
* @param klass
* @return
*/
private boolean isEnum(Class<?> klass) {
Class<?> superClass = klass.getSuperclass();
while (true) { // 递归查找
if (superClass != null) {
if (Enum.class.equals(superClass))
return true;
} else {
break;
}
superClass = superClass.getSuperclass();
}
return false;
}


客户端代码调用: instance.isEnum(Difficulty. class ) ; 结果返回true ,那么证明了 Difficulty 枚举继承了java.lang.Enum<E> 抽象基类。

那么java.lang.Enum<E> 有没有覆盖 clone 方法呢?查看一下源代码:

Java代码



/** * Throws CloneNotSupportedException. This guarantees that enums * are never cloned, which is necessary to preserve their "singleton" * status. * * @return (never returns) */ protected final Object clone() throws CloneNotSupportedException{ throw new CloneNotSupportedException(); }
/**

* Throws CloneNotSupportedException.  This guarantees that enums

* are never cloned, which is necessary to preserve their "singleton"

* status.

*

* @return (never returns)

*/

protected final Object clone() throws CloneNotSupportedException{

throw new CloneNotSupportedException();

}


很明显,java.lang.Enum<E> 基类 final 定义了 clone 方法,即枚举不支持克隆,并且 Java doc 提到要保持单体性。那么这也是面向对象设计的原则之一 - 对于保持单态性的对象而言,尽可能不支持或者不暴露clone 方法。

三、 强类型
前面的两个特性,在前Java 5 时代,利用了常量字段也可以完成需要。比如可以这么设计Difficulty类的字段,

Java代码



public static final int NORMAL = 1; public static final int MEDIUM = 2; public static final int HARD = 3;

public static final int NORMAL = 1;

public static final int MEDIUM = 2;

public static final int HARD = 3;


这么设计有一个缺点-弱类型,因为三个字段都是int原生型。
比如有一个方法用于设置游戏难度,定义如下:

Java代码



public void setDifficulty(int difficulty)

public void setDifficulty(int difficulty)


利用int类型作为参数,可能会有问题-如果参数在NORMAL,MEDIUM,HARD之外int数是可以接受的。利用规约的方法可以避免这个问题,比如设计范围检查:

Java代码



/**

* 设置游戏难度

* @param difficulty 难度数

* @throws IllegalArgumentException

* 如果参数不是 NORMAL、MEDIUM和Hard其中一个,那么报出IllegalArgumentException

*/

public void setDifficulty(int difficulty)

throws IllegalArgumentException

/**

* 设置游戏难度

* @param difficulty 难度数

* @throws IllegalArgumentException

*             如果参数不是 NORMAL、MEDIUM和Hard其中一个,那么报出IllegalArgumentException

*/

public void setDifficulty(int difficulty)

throws IllegalArgumentException


在可能实现方法中,通过三次成员比较,这样比较笨拙和憋足。
如果您在使用Java 5以前版本的话,作者提供一个较好的实现方法:

Java代码



package org.mercy.design.enumeration;

import java.util.Collections;

import java.util.HashSet;

import java.util.Set;

/**

* Difficulty JDK1.4实现 Difficulty枚举

* @author mercy

*/

public class Difficulty14 {

//枚举字段

public static final int NORMAL = 1; public static final int MEDIUM = 2; public static final int HARD = 3;

private final static Set difficulties;

static {

// Hash 提供快速查找

HashSet difficultySet = new HashSet();

difficultySet.add(Integer.valueOf(NORMAL));

difficultySet.add(Integer.valueOf(MEDIUM));

difficultySet.add(Integer.valueOf(HARD));

//利用不变的对象是一个好的设计实践

difficulties= Collections.unmodifiableSet(difficultySet);

}

/**

* 设置游戏难度

* @param difficulty 难度数

* @throws IllegalArgumentException

* 如果参数不是NORMAL、MEDIUM和Hard其中一个,那么报出IllegalArgumentException

*/

public void setDifficulty(int difficulty)

throws IllegalArgumentException {

if(!difficulties.contains(Integer.valueOf(difficulty)))

throw new IllegalArgumentException("参数错误");

//设置难度...

}

}

package org.mercy.design.enumeration;

import java.util.Collections;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
/**
* Difficulty JDK1.4实现 Difficulty枚举
* @author mercy
*/
public class Difficulty14 {
//枚举字段
public static final int NORMAL = 1;
public static final int MEDIUM = 2;
public static final int HARD = 3;

private final static Set difficulties;

static {
// Hash 提供快速查找
HashSet difficultySet = new HashSet();
difficultySet.add(Integer.valueOf(NORMAL));
difficultySet.add(Integer.valueOf(MEDIUM));
difficultySet.add(Integer.valueOf(HARD));
//利用不变的对象是一个好的设计实践
difficulties= Collections.unmodifiableSet(difficultySet);
}

/**
* 设置游戏难度
* @param difficulty 难度数
* @throws IllegalArgumentException
*             如果参数不是NORMAL、MEDIUM和Hard其中一个,那么报出IllegalArgumentException
*/
public void setDifficulty(int difficulty)
throws IllegalArgumentException {
if(!difficulties.contains(Integer.valueOf(difficulty)))
throw new IllegalArgumentException("参数错误");
//设置难度...
}
}


在上面的代码中,尽管提供了范围检查,不过参数范围还是巨大(可以说是无数),并且是运行时检查。因为 setDifficulty 的参数是 int的,客户端调用时候,编译器可以接受 int 以及范围更小的 short 、 byte 等类型。那么违反了 一个良好的实践 -在面向对象设计中,类型范围最好在编译时确定而非运行时。
另一个良好的面向对象实践 -利用对象类型,而不是原生型(如果编程语言支持的话)。 那么,如果使用java.lang.Integer 取代 int 类型,并且 Integer 是 final 类,没有必要担心多态的情况下,不就可以提供强类型吗?的确,提供了强类型约束,并且更好的锁定类型范围(因为是 final 的)。可是, Integer 的范围在一定程度上,认为是无限的,同时不支持 swtich 语句( 仅支持 int 、 short 、 byte 和 Java 5 枚举类型)。因此 Integer 还是不合适的。
枚举的常量性和可列性,在Difficulty 场景中尤其适合。

四、 类的特性
已知每个枚举都继承了java.lang.Enun<E>基类,其既有常量性,同时也有类的特点。尽管它是一种被限制的类,比如name和ordinal字段状态都是有JVM处理的。不过开发人员可以充分的利用类的特点,作出优美的设计。
枚举既然也是类,那么也遵循类的设计。通过扩张 Difficulty 类,面向对象的方式来设计枚举。
1. 封装设计
如果有一个需求 - Difficulty 持久化,把其存入 d ifficult ies数据库表中,并且提供一个唯一的 id 整型值。面向对象的封装,枚举也适用。示例如下:

Java代码



public enum Difficulty {

// 注意:枚举成员命名,请使用英文大写形式

NORMAL(1), MEDIUM(2), HARD(3);

/**

* final修饰字段是一个良好的实践。

*/

final private int id;

Difficulty(final int id){

this.id=id;

}

/**

* 获得ID

* @return

*/

public int getId() {

return id;

}

}

public enum Difficulty {
// 注意:枚举成员命名,请使用英文大写形式
NORMAL(1), MEDIUM(2), HARD(3);
/**
* final修饰字段是一个良好的实践。
*/
final private int id;

Difficulty(final int id){
this.id=id;
}
/**
* 获得ID
* @return
*/
public int getId() {
return id;
}
}


通过调用getId 方法可以获取枚举成员的 ID 值。
2. 抽象设计
在不同的游戏难度级别中,不同任务的难度值不同(大多数情况是通过值来表示,而非枚举对象本身)。以Difficulty为例,定义一个抽象的方法,计算难度值。

Java代码



/**

* 获取不同任务的难度值

*

* @param mission

* @return

* @throws IllegalArgumentException

* 如果<code>mission</code> 为负数时。

*/

public abstract int getValue(int mission) throws IllegalArgumentException;

/**
* 获取不同任务的难度值
*
* @param mission
* @return
* @throws IllegalArgumentException
*             如果<code>mission</code> 为负数时。
*/
public abstract int getValue(int mission) throws IllegalArgumentException;


3. 多态设计
Difficulty枚举中定义抽象方法getValue,那么其子类必须实现这个方法。不过枚举不能被继承,也不能继承其他类,除了默认额java.lang.Enum<E>类以外。因此枚举是一个final的版本,不能实现抽象方法?
枚举的特殊在此,枚举虽然不能显示地利用extends关键字继承,不过它的每个成员都是自己的子类。那么以Difficulty为例,其类层次关系为:java.lang.Enum<E> -> Difficulty -> HARD。这么看来,每个枚举成员相当于定了一个final的类内置类。
回到Difficulty枚举,实现抽象方法如下:

Java代码



NORMAL(1) {

@Override

public int getValue(int mission)

throws IllegalArgumentException {

return mission + this.getId();

}

},

MEDIUM(2) {

@Override

public int getValue(int mission)

throws IllegalArgumentException {

return mission * this.getId();

}

},

HARD(3) {

@Override

public int getValue(int mission)

throws IllegalArgumentException {

return mission << this.getId();

}

};

NORMAL(1) {
@Override
public int getValue(int mission)
throws IllegalArgumentException {
return mission + this.getId();
}
},
MEDIUM(2) {
@Override
public int getValue(int mission)
throws IllegalArgumentException {
return mission * this.getId();
}
},
HARD(3) {
@Override
public int getValue(int mission)
throws IllegalArgumentException {
return mission << this.getId();
}
};


4. 继承设计
在上述实现中,可以观察到一点,每个实现getValue 的方法都利用的 getId() 方法。那么再次说明了枚举类本身也是一个特殊基类,可以定义模板方法。
5. 串行化设计
在某些设计中,需要把枚举通过串行化。回到 Difficulty14 的示例中,三个成员变量都是常量,那么 static的变量是不可能被串行化的。如果去掉 static 修饰,那么语义将会被改变。而枚举不同,所有自定义枚举都是 java.lang.Enum<E> 的子类,因此所有的枚举都是可序列化的( java.lang.Enum<E> 实现了java.io.Serializable ) 。这也是枚举相对于常量的优势之一。
实现中可以提供类似这样的方法:

Java代码



private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException

private void readObjectNoData() throws ObjectStreamException

private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException

private void readObjectNoData() throws ObjectStreamException


总之,枚举也可以像类那样,实现面向对象的特点,不过值得一提的是, 枚举中应该保持尽量可能少的状态,职责单一的设计。
总结:Java中的枚举本质上也是类,只是类结构上比较特殊,Java5之前叫做实例受控类型安全的类型,Java5把这种类的设计语法化了,并且功能上更强大.

有一点是枚举类型并没有final修饰符修饰,如果有final修饰符修饰了,那么将禁止它在任何地方的子类化,不管是类外还是类内部,
枚举类型的构造方法受private修饰,这样可以在类内部子类化,以提供不同枚举值的行为上的差别.
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