78.JAVA编程思想——改进设计

78.JAVA编程思想——改进设计
《Design Patterns》书内所有方案的组织都围绕“程序进化时会发生什么变化”这个问题展开。对于任何设计来说，这都可能是最重要的一个问题。若根据对这个问题的回答来构造自己的系统，就可以得到两个方面的结果：系统不仅更易维护（而且更廉价），而且能产生一些能够重复使用的对象，进而使其他相关系统的构造也变得更廉价。这正是面向对象程序设计的优势所在，但这一优势并不是自动体现出来的。它要求对我们对需要解决的问题有全面而且深入的理解。在这一节中，我们准备在系统的逐步改进过程中向大家展示如何做到这一点。

就目前这个回收系统来说，对“什么会变化”这个问题的回答是非常普通的：更多的类型会加入系统。因此，设计的目标就是尽可能简化这种类型的添加。在回收程序中，我们准备把涉及特定类型信息的所有地方都封装起来。这样一来（如果没有别的原因），所有变化对那些封装来说都是在本地进行的。这种处理方式也使代码剩余的部分显得特别清爽。

1     “制作更多的对象”

这样便引出了面向对象程序设计时一条常规的准则，最早是在Grady Booch说的：“若设计过于复杂，就制作更多的对象”。尽管听起来有些暧昧，且简单得可笑，但这确实是我知道的最有用一条准则（大家以后会注意到“制作更多的对象”经常等同于“添加另一个层次的迂回”）。一般情况下，如果发现一个地方充斥着大量繁复的代码，就需要考虑什么类能使它显得清爽一些。用这种方式整理系统，往往会得到一个更好的结构，也使程序更加灵活。

首先考虑Trash 对象首次创建的地方，这是main()里的一个switch 语句：

for(int i = 0; i < 30; i++)

switch((int)(Math.random() * 3)){

case 0 :

bin.addElement(new

Aluminum(Math.random() * 100));

break;

case 1 :

bin.addElement(new

Paper(Math.random() * 100));

break;

case 2 :

bin.addElement(new

Glass(Math.random() * 100));

}

这些代码显然“过于复杂”，也是新类型加入时必须改动代码的场所之一。如果经常都要加入新类型，那么更好的方案就是建立一个独立的方法，用它获取所有必需的信息，并创建一个句柄，指向正确类型的一个对象——已经上溯造型到一个Trash 对象。在《Design Patterns》中，它被粗略地称呼为“创建范式”。要在这里应用的特殊范式是Factory 方法的一种变体。在这里，Factory 方法属于Trash 的一名static（静态）成员。但更常见的一种情况是：它属于衍生类中一个被过载的方法。Factory
方法的基本原理是我们将创建对象所需的基本信息传递给它，然后返回并等候句柄（已经上溯造型

至基础类型）作为返回值出现。从这时开始，就可以按多形性的方式对待对象了。因此，我们根本没必要知道所创建对象的准确类型是什么。事实上，Factory 方法会把自己隐藏起来，我们是看不见它的。这样做可防止不慎的误用。如果想在没有多形性的前提下使用对象，必须明确地使用RTTI 和指定造型。但仍然存在一个小问题，特别是在基础类中使用更复杂的方法（不是在这里展示的那种），且在衍生类里过载（覆盖）了它的前提下。如果在衍生类里请求的信息要求更多或者不同的参数，那么该怎么办呢？“创建更多的对象”解决了这个问题。为实现Factory
方法，Trash 类使用了一个新的方法，名为factory。为了将创建数据隐藏起来，我们用一个名为Info 的新类包含factory 方法创建适当的Trash 对象时需要的全部信息。下面是Info 一种简单的实现方式：

class Info {

int type;

// Must change this to addanother type:

static final int MAX_NUM = 4;

double data;

Info(int typeNum, double dat) {

type = typeNum % MAX_NUM;

data = dat;

}

}

Info 对象唯一的任务就是容纳用于factory()方法的信息。现在，假如出现了一种特殊情况，factory()需要更多或者不同的信息来新建一种类型的Trash 对象，那么再也不需要改动factory()了。通过添加新的数据和构建器，我们可以修改Info 类，或者采用子类处理更典型的面向对象形式。用于这个简单示例的factory()方法如下：

static Trash factory(Info i) {

switch(i.type) {

default: // To quiet thecompiler

case 0:

return new Aluminum(i.data);

case 1:

return new Paper(i.data);

case 2:

return new Glass(i.data);

// Two lines here:

case 3:

return new Cardboard(i.data);

}

}

在这里，对象的准确类型很容易即可判断出来。但我们可以设想一些更复杂的情况，factory()将采用一种复杂的算法。无论如何，现在的关键是它已隐藏到某个地方，而且我们在添加新类型时知道去那个地方。新对象在main()中的创建现在变得非常简单和清爽：

for(int i = 0; i < 30; i++)

bin.addElement(

Trash.factory(

new Info(

(int)(Math.random() *Info.MAX_NUM),

Math.random() * 100)));

我们在这里创建了一个Info 对象，用于将数据传入factory()；后者在内存堆中创建某种Trash 对象，并返回添加到Vector bin 内的句柄。当然，如果改变了参数的数量及类型，仍然需要修改这个语句。但假如Info 对象的创建是自动进行的，也可以避免那个麻烦。例如，可将参数的一个Vector 传递到Info 对象的构建器中（或直接传入一个factory()调用）。这要求在运行期间对参数（自变量）进行分析与检查，但确实提供了非常高的灵活程度。

大家从这个代码可看出Factory 要负责解决的“领头变化”问题：如果向系统添加了新类型（发生了变化），唯一需要修改的代码在Factory 内部，所以Factory 将那种变化的影响隔离出来了。

2     用于原型创建的一个范式

上述设计方案的一个问题是仍然需要一个中心场所，必须在那里知道所有类型的对象：在factory()方法内部。如果经常都要向系统添加新类型，factory()方法为每种新类型都要修改一遍。若确实对这个问题感到苦恼，可试试再深入一步，将与类型有关的所有信息——包括它的创建过程——都移入代表那种类型的类内部。这样一来，每次新添一种类型的时候，需要做的唯一事情就是从一个类继承。

为将涉及类型创建的信息移入特定类型的Trash 里，必须使用“原型”（prototype）范式（来自《Design Patterns》那本书）。这里最基本的想法是我们有一个主控对象序列，为自己感兴趣的每种类型都制作一个。这个序列中的对象只能用于新对象的创建，采用的操作类似内建到Java 根类Object 内部的clone()机制。在这种情况下，我们将克隆方法命名为tClone()。准备创建一个新对象时，要事先收集好某种形式的信息，用它建立我们希望的对象类型。然后在主控序列中遍历，将手上的信息与主控序列中原型对象内任何适当的信息作对比。若找到一个符合自己需要的，就克隆它。

采用这种方案，我们不必用硬编码的方式植入任何创建信息。每个对象都知道如何揭示出适当的信息，以及如何对自身进行克隆。所以一种新类型加入系统的时候，factory()方法不需要任何改变。

为解决原型的创建问题，一个方法是添加大量方法，用它们支持新对象的创建。但在Java 1.1 中，如果拥有指向Class 对象的一个句柄，那么它已经提供了对创建新对象的支持。利用Java 1.1 的“反射”技术，即便我们只有指向Class 对象的一个句柄，亦可正常地调用一个构建器。这对原型问题的解决无疑是个完美的方案。

原型列表将由指向所有想创建的Class 对象的一个句柄列表间接地表示。除此之外，假如原型处理失败，则factory()方法会认为由于一个特定的Class 对象不在列表中，所以会尝试装载它。通过以这种方式动态装载原型，Trash 类根本不需要知道自己要操纵的是什么类型。因此，在我们添加新类型时不需要作出任何形式的修改。于是，我们可在本章剩余的部分方便地重复利用它。

2.1     代码

import java.util.*;

import java.lang.reflect.*;

 

public
abstract class Trash {

    private
doubleweight;

 

    Trash(double
wt) {

        weight =
wt;

    }

 

    Trash() {

    }

 

    public
abstractdoublevalue();

 

    public
doubleweight() {

        return
weight;

    }

 

    // Sums thevalue of Trash in a bin:

    public
staticvoidsumValue(Vector
bin) {

        Enumeration
e = bin.elements();

        double
val = 0.0f;

        while (e.hasMoreElements()) {

            // One kind of RTTI:

            // A dynamically-checked cast

            Trash t = (Trash)
e.nextElement();

            val +=
t.weight() * t.value();

            System.out.println(

 

                    "weight of " +

                    // Using RTTI to get type

                    // information about the class:

                           
t.getClass().getName() +" = "+
t.weight());

        }

        System.out.println("Total value = " +
val);

    }

 

    // Remainderof class provides support for

    //prototyping:

    public
staticclassPrototypeNotFoundException
extends Exception {

    }

 

    public
staticclassCannotCreateTrashException
extends Exception {

    }

 

    private
staticVector trashTypes =
newVector();

 

    public
staticTrash factory(Info
info)throwsPrototypeNotFoundException, CannotCreateTrashException {

        for (int
i = 0; i <
trashTypes.size();
i++) {

            // Somehow determine the new type

            // to create, and create one:

            Class
tc = (Class) trashTypes.elementAt(i);

            if (tc.getName().indexOf(info.id)!= -1) {

                try {

                    // Get the dynamic constructor method

                    // that takes a double argument:

                    Constructor
ctor = tc.getConstructor(new Class[] {
double.class});

                    // Call the constructor to create a

                    // new object:

                    return (Trash)
ctor.newInstance(new Object[] {
new Double(info.data) });

                } catch (Exception
ex) {

                    ex.printStackTrace();

                    throw
new CannotCreateTrashException();

                }

            }

        }

        // Class was not in the list. Try to load it,

        // but it must be in your class path!

        try {

            System.out.println("Loading "+
info.id);

            trashTypes.addElement(Class.forName(info.id));

        } catch (Exception
e) {

            e.printStackTrace();

            throw
new PrototypeNotFoundException();

        }

        // Loaded successfully. Recursive call

 

        // should work this time:

        return
factory(info);

    }

 

    public
staticclassInfo {

        public String
id;

        public
double data;

 

        public Info(String
name, double
data) {

            id =
name;

            this.data =
data;

        }

    }

} /// :~

基本Trash 类和sumValue()还是象往常一样。这个类剩下的部分支持原型范式。大家首先会看到两个内部类（被设为static 属性，使其成为只为代码组织目的而存在的内部类），它们描述了可能出现的违例。在它后面跟随的是一个Vector trashTypes，用于容纳Class 句柄。

在Trash.factory()中，Info 对象id（Info 类的另一个版本，与前面讨论的不同）内部的String 包含了要创建的那种Trash 的类型名称。这个String 会与列表中的Class 名比较。若存在相符的，那便是要创建的对象。当然，还有很多方法可以决定我们想创建的对象。之所以要采用这种方法，是因为从一个文件读入的信息可以转换成对象。

发现自己要创建的Trash（垃圾）种类后，接下来就轮到“反射”方法大显身手了。getConstructor()方法需要取得自己的参数——由Class 句柄构成的一个数组。这个数组代表着不同的参数，并按它们正确的顺序排列，以便我们查找的构建器使用。在这儿，该数组是用Java 1.1 的数组创建语法动态创建的：

new Class[] {double.class}

这个代码假定所有Trash 类型都有一个需要double 数值的构建器（注意double.class 与Double.class 是不同的）。若考虑一种更灵活的方案，亦可调用getConstructors()，令其返回可用构建器的一个数组。

从getConstructors()返回的是指向一个Constructor 对象的句柄（该对象是java.lang.reflect 的一部分）。我们用方法newInstance() 动态地调用构建器。该方法需要获取包含了实际参数的一个Object数组。这个数组同样是按Java 1.1 的语法创建的：

new Object[] {newDouble(info.data)}

在这种情况下，double 必须置入一个封装（容器）类的内部，使其真正成为这个对象数组的一部分。通过调用newInstance()，会提取出double，但大家可能会觉得稍微有些迷惑——参数既可能是double，也可能是Double，但在调用的时候必须用Double 传递。幸运的是，这个问题只存在于基本数据类型中间。

理解了具体的过程后，再来创建一个新对象，并且只为它提供一个Class 句柄，事情就变得非常简单了。就目前的情况来说，内部循环中的return 永远不会执行，我们在终点就会退出。在这儿，程序动态装载Class对象，并把它加入trashTypes（垃圾类型）列表，从而试图纠正这个问题。若仍然找不到真正有问题的地方，同时装载又是成功的，那么就重复调用factory 方法，重新试一遍。

正如大家会看到的那样，这种设计方案最大的优点就是不需要改动代码。无论在什么情况下，它都能正常地使用（假定所有Trash 子类都包含了一个构建器，用以获取单个double 参数）。

提到对象的创建，这一方案确实已将新类型加入系统所需的变动严格地“本地化”了。但在使用RTTI 的过程中，却存在着一个严重的问题，这里已明确地显露出来。程序表面上工作得很好，但却永远侦测到不能“硬纸板”（Cardboard）这种新的废品类型——即使列表里确实有一个硬纸板类型！之所以会出现这种情况，完全是由于使用了RTTI 的缘故。RTTI 只会查找那些我们告诉它查找的东西。RTTI 在这里错误的用法是“系统中的每种类型”都进行了测试，而不是仅测试一种类型或者一个类型子集。正如大家以后会看到的那样，在测试每一种类型时可换用其他方式来运用多形性特征。但假如以这种形式过多地使用RTTI，而且又在自己的系统里添加了一种新类型，很容易就会忘记在程序里作出适当的改动，从而埋下以后难以发现的Bug。因此，在这种情况下避免使用RTTI
是很有必要的，这并不仅仅是为了表面好看——也是为了产生更易维护的代码。