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）。
- 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。
- 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）。
- 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。