16.4改进设计

16.4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。

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，并创建一个指针，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，然后返回并等候指针（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），且在衍生类里重载（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 add another type:
  static final int MAX_NUM = 4;
  double data;
  Info(int typeNum, double dat) {
    type = typeNum % MAX_NUM;
    data = dat;
  }
}

``` java
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：

``` java
  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Trash对象，并返回添加到Vector bin内的指针。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（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。

16.4.2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对象的一个指针，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对象的一个指针，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对象的一个指针列表间接地表示。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异常。在它后面跟随的是一个Vector trashTypes，用于容纳Class指针。

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指针构成的一个数组。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对象的指针（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指针，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。

  1. 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，并用字串方法indexOf()来建立“:”的一个索引。首先用字串方法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的指针。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）。

  1. 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方案。

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。

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