Java编程：类设计、嵌套类与泛型的最佳实践

### Java编程：类设计、嵌套类与泛型的最佳实践 #### 1. 避免使用标签类，优先选择类层次结构 在编程中，有时会遇到一种类，其实例有多种类型，并且包含一个标签字段来指示实例的类型。例如，下面的`Figure`类可以表示圆形或矩形： ```java // Tagged class - vastly inferior to a class hierarchy! class Figure { enum Shape { RECTANGLE, CIRCLE }; // Tag field - the shape of this figure final Shape shape; // These fields are used only if shape is RECTANGLE double length; double width; // This field is used only if shape is CIRCLE double radius; // Constructor for circle Figure(double radius) { shape = Shape.CIRCLE; this.radius = radius; } // Constructor for rectangle Figure(double length, double width) { shape = Shape.RECTANGLE; this.length = length; this.width = width; } double area() { switch(shape) { case RECTANGLE: return length * width; case CIRCLE: return Math.PI * (radius * radius); default: throw new AssertionError(shape); } } } ``` 这种标签类存在诸多缺点： - 代码冗余，包含枚举声明、标签字段和`switch`语句。 - 可读性差，多种实现混杂在一个类中。 - 内存占用增加，实例会包含其他类型的无关字段。 - 字段难以设为`final`，除非构造函数初始化无关字段，导致更多冗余代码。 - 构造函数必须设置标签字段并初始化正确的数据字段，编译器无法提供帮助，若初始化错误，程序将在运行时失败。 - 若要添加新类型，必须修改源代码，并在每个`switch`语句中添加新的`case`，否则类将在运行时失败。 - 实例的数据类型无法表明其具体类型。 幸运的是，像Java这样的面向对象语言提供了更好的选择——子类型化。可以将标签类转换为类层次结构，步骤如下： 1. 定义一个抽象类，为标签类中行为依赖于标签值的每个方法定义一个抽象方法。在`Figure`类中，只有`area`方法符合条件。这个抽象类是类层次结构的根。 2. 为原始标签类的每种类型定义根类的具体子类。在示例中，有圆形和矩形两个子类。在每个子类中包含特定于该类型的数据字段，并实现根类中的抽象方法。 以下是对应的类层次结构： ```java // Class hierarchy replacement for a tagged class abstract class Figure { abstract double area(); } class Circle extends Figure { final double radius; Circle(double radius) { this.radius = radius; } @Override double area() { return Math.PI * (radius * radius); } } class Rectangle extends Figure { final double length; final double width; Rectangle(double length, double width) { this.length = length; this.width = width; } @Override double area() { return length * width; } } ``` 这个类层次结构解决了标签类的所有缺点： - 代码简单清晰，无冗余。 - 每种类型的实现都有自己的类，且不包含无关数据字段。 - 所有字段都是`final`的。 - 编译器确保每个类的构造函数初始化其数据字段，并为根类中声明的每个抽象方法提供实现，消除了因缺少`switch``case`导致的运行时失败的可能性。 - 多个程序员可以独立扩展层次结构，无需访问根类的源代码。 - 每种类型都有单独的数据类型，允许程序员指定变量的类型，并将变量和输入参数限制为特定类型。 此外，类层次结构还可以反映类型之间的自然层次关系，增加灵活性并提供更好的编译时类型检查。例如，如果标签类还允许表示正方形，可以将其作为矩形的特殊子类： ```java class Square extends Rectangle { Square(double side) { super(side, side); } } ``` #### 2. 优先选择静态成员类而非非静态成员类 嵌套类是在另一个类中定义的类，应仅为其外部类服务。嵌套类有四种类型：静态成员类、非静态成员类、匿名类和局部类。除了静态成员类，其他三种都称为内部类。 静态成员类是最简单的嵌套类，可看作是恰好声明在另一个类中的普通类，能访问外部类的所有成员，包括私有成员。它是外部类的静态成员，遵循与其他静态成员相同的可访问性规则。例如，计算器类的操作枚举可以作为其公共静态成员类： ```java // 假设的计算器类 public class Calculator { public static enum Operation { PLUS, MINUS; } } ``` 客户端可以使用`Calculator.Operation.PLUS`和`Calculator.Operation.MINUS`来引用操作。 非静态成员类的每个实例都隐式关联其外部类的一个实例。在非静态成员类的实例方法中，可以调用外部类实例的方法或使用限定的`this`构造获取外部类实例的引用。如果嵌套类的实例可以独立于外部类实例存在，则该嵌套类必须是静态成员类，因为没有外部类实例就无法创建非静态成员类的实例。 非静态成员类的一个常见用途是定义适配器，使外部类的实例可以被视为某个无关类的实例。例如，`Map`接口的实现通常使用非静态成员类来实现其集合视图： ```java // Typical use of a nonstatic member class public class MySet<E> extends AbstractSet<E> { // Bulk of the class omitted @Override public Iterator<E> iterator() { return new MyIterator(); } private class MyIterator implements Iterator<E> { // 迭代器的具体实现 } } ``` 如果声明的成员类不需要访问外部类实例，应始终在其声明中添加`static`修饰符，使其成为静态成员类。否则，每个实例都会有一个隐藏的额外引用指向其外部类实例，这会占用时间和空间，还可能导致内存泄漏。 匿名类没有名称，在使用点同时声明和实例化。它只能在表达式合法的任何代码点使用。匿名类在非静态上下文中有外部类实例，且在静态上下文中除了常量变量外不能有其他静态成员。匿名类有很多限制，如只能在声明点实例化、不能进行`instanceof`测试、不能声明实现多个接口或同时扩展类和实现接口等。在Java添加`lambda`表达式之前，匿名类是动态创建小函数对象和处理对象的首选方式，但现在`lambda`表达式更受青睐。 局部类是四种嵌套类中使用最少的，它可以在局部变量可以声明的几乎任何地方声明，遵循相同的作用域规则。局部类与其他嵌套类有共同的属性，如像成员类一样有名称且可重复使用，像匿名类一样在非静态上下文中有外部类实例且不能包含静态成员，且应保持简短以不影响可读性。 选择嵌套类的建议总结如下： | 嵌套类类型 | 使用场景 | | ---- | ---- | | 成员类 | 若嵌套类需要在单个方法之外可见或太长而不适合放在方法内 | | 非静态成员类 | 成员类的每个实例都需要外部类实例的引用 | | 静态成员类