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# 16.4 改进设计 《设计模式》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。 ## 16.4.1 “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,我最早是在Grady Booch那里听说的:“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,并创建一个引用,指向正确类型的一个对象——已经向上转换到一个`Trash`对象。在《设计模式》中,它被粗略地称呼为“创建模式”。要在这里应用的特殊模式是`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:它属于派生类中一个被重载的方法。 `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,然后返回并等候引用(已经向上转换至基类型)作为返回值出现。从这时开始,就可以按多态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。如果想在没有多态性的前提下使用对象,必须明确地使用RTTI和指定转换。 但仍然存在一个小问题,特别是在基类中使用更复杂的方法(不是在这里展示的那种),且在派生类里重载(覆盖)了它的前提下。如果在派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 add another 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造器,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 the compiler 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T`rash`对象,并返回添加到`Vector bin`内的引用。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`对象的构造器中(或直接传入一个`factory()`调用)。这要求在运行期间对参数进行分析与检查,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。 ## 16.4.2 用于原型创建的一个模式 上述设计模式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`)模式(来自《设计模式》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`对象的一个引用,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”(已在第11章介绍)技术,即便我们只有指向`Class`对象的一个引用,亦可正常地调用一个构造器。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`对象的一个引用列表间接地表示。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。 ``` //: Trash.java // Base class for Trash recycling examples package c16.trash; import java.util.*; import java.lang.reflect.*; public abstract class Trash { private double weight; Trash(double wt) { weight = wt; } Trash() {} public abstract double value(); public double weight() { return weight; } // Sums the value of Trash in a bin: public static void sumValue(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); } // Remainder of class provides support for // prototyping: public static class PrototypeNotFoundException extends Exception {} public static class CannotCreateTrashException extends Exception {} private static Vector trashTypes = new Vector(); public static Trash factory(Info info) throws PrototypeNotFoundException, 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 static class Info { 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模式。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异常。在它后面跟随的是一个`Vector trashTypes`,用于容纳`Class`引用。 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`引用构成的一个数组。这个数组代表着不同的参数,并按它们正确的顺序排列,以便我们查找的构造器使用。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`数值的构造器(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()`,令其返回可用构造器的一个数组。 从`getConstructors()`返回的是指向一个`Constructor`对象的引用(该对象是`java.lang.reflect`的一部分)。我们用方法`newInstance()`动态地调用构造器。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[] {new Double(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`引用,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,这种设计模式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造器,用以获取单个`double`参数)。 (1) Trash子类 为了与原型机制相适应,对`Trash`每个新子类唯一的要求就是在其中包含了一个构造器,指示它获取一个`double`参数。Java 1.1的“反射”机制可负责剩下的所有工作。 下面是不同类型的`Trash`,每种类型都有它们自己的文件里,但都属于`Trash`包的一部分(同样地,为了方便在本章内重复使用): ``` //: Aluminum.java // The Aluminum class with prototyping package c16.trash; public class Aluminum extends Trash { private static double val = 1.67f; public Aluminum(double wt) { super(wt); } public double value() { return val; } public static void value(double newVal) { val = newVal; } } ///:~ ``` 下面是一种新的`Trash`类型: ``` //: Cardboard.java // The Cardboard class with prototyping package c16.trash; public class Cardboard extends Trash { private static double val = 0.23f; public Cardboard(double wt) { super(wt); } public double value() { return val; } public static void value(double newVal) { val = newVal; } } ///:~ ``` 可以看出,除构造器以外,这些类根本没有什么特别的地方。 (2) 从外部文件中解析出`Trash` 与`Trash`对象有关的信息将从一个外部文件中读取。针对`Trash`的每个方面,文件内列出了所有必要的信息——每行都代表一个方面,采用`垃圾(废品)名称:值`的固定格式。例如: ``` c16.Trash.Glass:54 c16.Trash.Paper:22 c16.Trash.Paper:11 c16.Trash.Glass:17 c16.Trash.Aluminum:89 c16.Trash.Paper:88 c16.Trash.Aluminum:76 c16.Trash.Cardboard:96 c16.Trash.Aluminum:25 c16.Trash.Aluminum:34 c16.Trash.Glass:11 c16.Trash.Glass:68 c16.Trash.Glass:43 c16.Trash.Aluminum:27 c16.Trash.Cardboard:44 c16.Trash.Aluminum:18 c16.Trash.Paper:91 c16.Trash.Glass:63 c16.Trash.Glass:50 c16.Trash.Glass:80 c16.Trash.Aluminum:81 c16.Trash.Cardboard:12 c16.Trash.Glass:12 c16.Trash.Glass:54 c16.Trash.Aluminum:36 c16.Trash.Aluminum:93 c16.Trash.Glass:93 c16.Trash.Paper:80 c16.Trash.Glass:36 c16.Trash.Glass:12 c16.Trash.Glass:60 c16.Trash.Paper:66 c16.Trash.Aluminum:36 c16.Trash.Cardboard:22 ``` 注意在给定类名的时候,类路径必须包含在内,否则就找不到类。 为解析它,每一行内容都会读入,并用字符串方法`indexOf()`来建立`:`的一个索引。首先用字符串方法`substring()`取出垃圾的类型名称,接着用一个静态方法`Double.valueOf()`取得相应的值,并转换成一个`double`值。`trim()`方法则用于删除字符串两头的多余空格。 `Trash`解析器置入单独的文件中,因为本章将不断地用到它。如下所示: ``` //: ParseTrash.java // Open a file and parse its contents into // Trash objects, placing each into a Vector package c16.trash; import java.util.*; import java.io.*; public class ParseTrash { public static void fillBin(String filename, Fillable bin) { try { BufferedReader data = new BufferedReader( new FileReader(filename)); String buf; while((buf = data.readLine())!= null) { String type = buf.substring(0, buf.indexOf(':')).trim(); double weight = Double.valueOf( buf.substring(buf.indexOf(':') + 1) .trim()).doubleValue(); bin.addTrash( Trash.factory( new Trash.Info(type, weight))); } data.close(); } catch(IOException e) { e.printStackTrace(); } catch(Exception e) { e.printStackTrace(); } } // Special case to handle Vector: public static void fillBin(String filename, Vector bin) { fillBin(filename, new FillableVector(bin)); } } ///:~ ``` 在`RecycleA.java`中,我们用一个`Vector`容纳`Trash`对象。然而,亦可考虑采用其他集合类型。为做到这一点,`fillBin()`的第一个版本将获取指向一个`Fillable`的引用。后者是一个接口,用于支持一个名为`addTrash()`的方法: ``` //: Fillable.java // Any object that can be filled with Trash package c16.trash; public interface Fillable { void addTrash(Trash t); } ///:~ ``` 支持该接口的所有东西都能伴随`fillBin`使用。当然,`Vector`并未实现`Fillable`,所以它不能工作。由于`Vector`将在大多数例子中应用,所以最好的做法是添加另一个重载的`fillBin()`方法,令其以一个`Vector`作为参数。利用一个适配器(`Adapter`)类,这个`Vector`可作为一个`Fillable`对象使用: ``` //: FillableVector.java // Adapter that makes a Vector Fillable package c16.trash; import java.util.*; public class FillableVector implements Fillable { private Vector v; public FillableVector(Vector vv) { v = vv; } public void addTrash(Trash t) { v.addElement(t); } } ///:~ ``` 可以看到,这个类唯一的任务就是负责将`Fillable`的`addTrash()`同`Vector`的`addElement()`方法连接起来。利用这个类,已重载的`fillBin()`方法可在`ParseTrash.java`中伴随一个`Vector`使用: ``` public static void fillBin(String filename, Vector bin) { fillBin(filename, new FillableVector(bin)); } ``` 这种方案适用于任何频繁用到的集合类。除此以外,集合类还可提供它自己的适配器类,并实现`Fillable`(稍后即可看到,在`DynaTrash.java`中)。 (3) 原型机制的重复应用 现在,大家可以看到采用原型技术的、修订过的`RecycleA.java`版本了: ``` //: RecycleAP.java // Recycling with RTTI and Prototypes package c16.recycleap; import c16.trash.*; import java.util.*; public class RecycleAP { public static void main(String[] args) { Vector bin = new Vector(); // Fill up the Trash bin: ParseTrash.fillBin("Trash.dat", bin); Vector glassBin = new Vector(), paperBin = new Vector(), alBin = new Vector(); Enumeration sorter = bin.elements(); // Sort the Trash: while(sorter.hasMoreElements()) { Object t = sorter.nextElement(); // RTTI to show class membership: if(t instanceof Aluminum) alBin.addElement(t); if(t instanceof Paper) paperBin.addElement(t); if(t instanceof Glass) glassBin.addElement(t); } Trash.sumValue(alBin); Trash.sumValue(paperBin); Trash.sumValue(glassBin); Trash.sumValue(bin); } } ///:~ ``` 所有`Trash`对象——以及`ParseTrash`及支撑类——现在都成为名为`c16.trash`的一个包的一部分,所以它们可以简单地导入。 无论打开包含了`Trash`描述信息的数据文件,还是对那个文件进行解析,所有涉及到的操作均已封装到`static`(静态)方法`ParseTrash.fillBin()`里。所以它现在已经不是我们设计过程中要注意的一个重点。在本章剩余的部分,大家经常都会看到无论添加的是什么类型的新类,`ParseTrash.fillBin()`都会持续工作,不会发生改变,这无疑是一种优良的设计模式。 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态性特征。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。