Java11开发秘籍-二、面向对象编程的快速通道-类和接口

作者: Java开发者

在本章中,我们将介绍以下配方:

  • 实现面向对象设计OOD
  • 使用内部类
  • 使用继承和聚合
  • 对接口进行编码
  • 使用默认和静态方法创建接口
  • 使用私有方法创建接口
  • 使用Optional处理空值的更好方法
  • 使用实用程序类Objects

本章中的食谱不需要任何关于 OOD 的先验知识。不过,有一些用 Java 编写代码的经验将是有益的。本章中的代码示例功能齐全,与 Java 11 兼容。为了更好地理解,我们建议您尝试运行所提供的示例。

我们还鼓励您根据您的团队经验,根据您的需要调整本章中的提示和建议。考虑与同事分享您的新知识,并讨论如何将所述原则应用于您的领域和当前项目。

介绍

本章简要介绍了面向对象编程OOP)的概念,并介绍了自 Java 8 以来引入的一些增强功能。我们还将尝试在适用的地方介绍一些良好的 OOD 实践,并使用特定的代码示例演示它们。

人们可以花很多时间阅读书籍和互联网上有关 OOD 的文章和实用建议。这样做对某些人是有益的。但是,根据我们的经验,掌握 OOD 的最快方法是在您自己的代码中尽早尝试其原则。这正是本章的目标,让您有机会了解并使用 OOD 原则,从而使正式定义立即变得有意义。

写得好的代码的主要标准之一是意图的清晰。动机良好且清晰的设计有助于实现这一点。代码由计算机运行,但由人工维护、读取和修改。记住这一点可以确保代码的使用寿命,甚至可以让那些后来不得不处理代码的人感谢并提及代码。

在本章中,您将学习如何使用五个基本 OOP 概念:

  • 对象/类:将数据和方法保存在一起
  • 封装:隐藏数据和/或方法
  • 继承:扩展另一类数据和/或方法
  • 接口:隐藏类型的实现和编码
  • 多态:使用指向子类对象的基类类型引用

如果您在互联网上搜索,您可能会注意到许多其他概念和对它们的补充,以及所有 OOD 原则,都可以从前面列出的五个概念中派生出来。这意味着对它们的深入理解是成功设计面向对象系统的先决条件。

实现面向对象设计(OOD)

在本教程中,您将学习前两个 OOP 概念对象/类和封装。这些概念是 ODE 的基础。

准备

术语对象通常指耦合数据和可应用于该数据的过程的实体。既不需要数据也不需要程序,但其中一个是,通常两者都存在。数据称为对象字段(或属性),而过程称为方法。字段值描述对象的状态。方法描述对象的行为。每个对象都有一个类型,该类型由其类(用于创建对象的模板)定义。对象也被称为类的实例。 是字段和方法定义的集合,它们将出现在它的每个实例中——基于这个类创建的对象。封装是隐藏那些不应被其他对象访问的字段和方法。

通过在字段和方法的声明中使用称为访问修饰符publicprotectedprivateJava 关键字实现封装。当未指定访问修饰符时,还有一个默认的封装级别。

怎么做。。。

  1. 使用horsePower字段创建一个Engine类。添加setHorsePower(int horsePower)方法(设置此字段的值)和getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds)方法(根据车辆开始移动后经过的时间段、车辆重量和发动机功率计算车辆速度):
    public class Engine { 
    private int horsePower; 
    public void setHorsePower(int horsePower) { 
     this.horsePower = horsePower; 
    } 
    public double getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds){ 
    double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * timeSec * 
                                       32.17 / weightPounds; 
    return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68); 
    } 
    }
    
  2. 创建Vehicle类:
      public class Vehicle { 
          private int weightPounds; 
          private Engine engine; 
          public Vehicle(int weightPounds, Engine engine) { 
            this.weightPounds = weightPounds; 
            this.engine = engine; 
          } 
          public double getSpeedMph(double timeSec){ 
            return this.engine.getSpeedMph(timeSec, weightPounds); 
         } 
     } 
    
  3. 创建将使用上述类的应用程序:
    public static void main(String... arg) { 
    double timeSec = 10.0; 
    int horsePower = 246; 
    int vehicleWeight = 4000;  
    Engine engine = new Engine(); 
    engine.setHorsePower(horsePower); 
    Vehicle vehicle = new Vehicle(vehicleWeight, engine); 
    System.out.println("Vehicle speed (" + timeSec + " sec)=" 
                   + vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph"); 
    } 
    

如您所见,engine对象是通过调用Engine类的默认构造函数创建的,没有参数,并且使用newJava 关键字为堆上新创建的对象分配内存。

第二个对象vehicle是使用显式定义的Vehicle类构造函数创建的,该构造函数有两个参数。构造函数的第二个参数是engine对象,它携带使用setHorsePower(int horsePower)方法设置为246horsePower值。 engine对象包含getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds)方法,任何对象都可以调用getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds)方法(因为它是public),就像Vehicle类的getSpeedMph(double timeSec)方法一样。

它是如何工作的。。。

前面的应用程序生成以下输出:

值得注意的是,Vehicle类的getSpeedMph(double timeSec)方法依赖于分配给engine字段的值的存在。这样,Vehicle类的对象将速度计算委托给Engine类的对象。如果后者未设置(Vehicle()构造函数中传递的null,例如),NullPointerException将在运行时抛出,如果应用程序未处理,JVM 将捕获并强制退出。为了避免这种情况,我们可以检查Vehicle()构造函数中是否存在engine字段值:

if(engine == null){ 
   throw new RuntimeException("Engine" + " is required parameter."); 
}   

或者,我们可以在Vehicle类的getSpeedMph(double timeSec)方法中进行检查:

if(getEngine() == null){ 
  throw new RuntimeException("Engine value is required."); 
} 

通过这种方式,我们避免了NullPointerException的歧义,并准确地告诉用户问题的根源是什么。

您可能已经注意到,getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds)方法可以从Engine类中删除,并且可以在Vehicle类中完全实现:

public double getSpeedMph(double timeSec){
  double v =  2.0 * this.engine.getHorsePower() * 746 * 
                                timeSec * 32.17 / this.weightPounds;
  return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
}

为此,我们需要将getHorsePower()公共方法添加到Engine类中,以便Vehicle类中的getSpeedMph(double timeSec)方法可以使用它。现在,我们将getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds)方法留在Engine类中。

这是您需要做出的设计决策之一。如果您认为Engine类的对象将被不同类的对象(不仅仅是Vehicle类)传递和使用,那么您需要将getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds)方法保留在Engine类中。否则,如果您认为只有Vehicle类负责速度计算(这是有意义的,因为它是车辆的速度,而不是发动机的速度),您应该在Vehicle类中实现此方法。

还有更多。。。

Java 提供了扩展类的能力,并允许子类访问基类的所有非私有字段和方法。例如,您可以确定可以询问其速度的每个对象都属于派生自Vehicle类的子类。在这种情况下,Car类可能如下所示:

public class Car extends Vehicle {
  private int passengersCount;
  public Car(int passengersCount, int weightPounds, Engine engine){
    super(weightPounds, engine);
    this.passengersCount = passengersCount;
  }
  public int getPassengersCount() {
    return this.passengersCount;
  }
}

现在,我们可以通过将Vehicle类对象替换为Car类的对象来更改测试代码:

public static void main(String... arg) { 
  double timeSec = 10.0; 
  int horsePower = 246; 
  int vehicleWeight = 4000; 
  Engine engine = new Engine(); 
  engine.setHorsePower(horsePower); 
  Vehicle vehicle = new Car(4, vehicleWeight, engine); 
  System.out.println("Car speed (" + timeSec + " sec) = " + 
                             vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph"); 
} 

当执行上述代码时,它产生与Vehicle类的对象相同的值:

由于多态,可以将对Car类的对象的引用分配给其基类Vehicle的引用。Car类对象有两种类型—它自己的类型Car和基类的类型Vehicle

在 Java 中,一个类还可以实现多个接口,这样一个类的对象也可以具有每个实现接口的类型。我们将在随后的食谱中讨论这一点。

使用内部类

在本食谱中,您将了解三种类型的内部类:

  • 内部类:这是在另一个(封闭的)类中定义的类。它从封闭类外部的可访问性由publicprotectedprivate访问修饰符调节。内部类可以访问封闭类的私有成员,封闭类可以访问其内部类的私有成员,但不能从封闭类外部访问私有内部类或非私有内部类的私有成员。
  • 方法局部内部类:方法内部定义的类。它的可访问性仅限于方法内部。
  • 匿名内部类:没有声明名称的类,仅基于接口或扩展类在对象实例化时定义。

准备

当一个类被另一个类使用,并且只有一个类使用时,设计者可能会决定不需要将此类公开。例如,假设Engine类仅由Vehicle类使用。

怎么做。。。

  1. 创建Engine类作为Vehicle类的内部类:
        public class Vehicle {
          private int weightPounds;
          private Engine engine;
          public Vehicle(int weightPounds, int horsePower) {
            this.weightPounds = weightPounds;
            this.engine = new Engine(horsePower);
          }
          public double getSpeedMph(double timeSec){
            return this.engine.getSpeedMph(timeSec);
          }
          private int getWeightPounds()
          private class Engine {
            private int horsePower;
            private Engine(int horsePower) {
              this.horsePower = horsePower;
            }
            private double getSpeedMph(double timeSec){
              double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * 
                         timeSec * 32.17 / getWeightPounds();
              return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
            }
          }
        }
    
  2. 请注意,Vehicle类的getSpeedMph(double timeSec)方法可以访问Engine类,即使它被声明为private。它甚至可以访问Engine类的getSpeedMph(double timeSec)私有方法。内部类也可以访问封闭类的所有私有元素。这就是为什么Engine类的getSpeedMph(double timeSec)方法可以访问封闭Vehicle类的私有getWeightPounds()方法的原因。
  3. 仔细看看内部Engine类的用法。仅使用Engine类的getSpeedMph(double timeSec)方法。如果设计者认为将来也会如此,他们可以合理地决定将Engine类方法设置为局部内部类,这是内部类的第二种类型:
        public class Vehicle {
          private int weightPounds;
          private int horsePower;
          public Vehicle(int weightPounds, int horsePower) {
            this.weightPounds = weightPounds;
            this.horsePower = horsePower;
          }
          private int getWeightPounds() 
          public double getSpeedMph(double timeSec){
            class Engine {
              private int horsePower;
              private Engine(int horsePower) {
                this.horsePower = horsePower;
              }
              private double getSpeedMph(double timeSec){
                double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * 
                          timeSec * 32.17 / getWeightPounds();
                return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
              }
            }
            Engine engine = new Engine(this.horsePower);
            return engine.getSpeedMph(timeSec);
          }
        }
    

在前面的代码示例中,拥有一个Engine类毫无意义。速度计算公式可以直接使用,无需Engine类的调解。但在某些情况下,这可能并不容易做到。例如,方法本地内部类可能需要扩展其他类以继承其功能,或者创建的Engine对象可能需要经过一些转换,因此需要创建。其他注意事项可能需要一个本地内部类的方法。

在任何情况下,使不需要从封闭类外部访问的所有功能都不可访问都是一种好的做法。封装隐藏对象的状态和行为有助于避免意外更改或重写对象行为所导致的意外副作用。这使得结果更加可预测。这就是为什么一个好的设计只公开必须从外部访问的功能。通常是封闭类功能首先推动了类的创建,而不是内部类或其他实现细节。

它是如何工作的。。。

无论Engine类是作为内部类实现还是作为方法本地内部类实现,测试代码看起来都是一样的:

public static void main(String arg[]) {
  double timeSec = 10.0;
  int engineHorsePower = 246;
  int vehicleWeightPounds = 4000;
  Vehicle vehicle = 
          new Vehicle(vehicleWeightPounds, engineHorsePower);
  System.out.println("Vehicle speed (" + timeSec + " sec) = " 
                    + vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
}

如果我们运行前面的程序,我们会得到相同的输出:

现在,假设我们需要测试getSpeedMph()方法的不同实现:

public double getSpeedMph(double timeSec)

如果此速度计算公式对您没有意义,则您是正确的,它没有意义。我们这样做是为了使结果具有可预测性,并且与以前实施的结果不同。

有许多方法可以引入这种新的实现。例如,我们可以更改Engine类中getSpeedMph(double timeSec)方法的代码。或者,我们可以在Vehicle类中更改相同方法的实现。

在这个配方中,我们将使用第三种类型的内部类,称为匿名内部类来实现这一点。当您希望编写尽可能少的新代码,或者希望通过临时重写旧代码来快速测试新行为时,这种方法尤其方便。匿名类的用法如下所示:

public static void main(String... arg) {
  double timeSec = 10.0;
  int engineHorsePower = 246;
  int vehicleWeightPounds = 4000;
  Vehicle vehicle = 
    new Vehicle(vehicleWeightPounds, engineHorsePower) {
        public double getSpeedMph(double timeSec){ 
           return -1.0d;
        }
    };
  System.out.println("Vehicle speed (" + timeSec + " sec) = "
                    + vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
}

如果我们运行此程序,结果如下:

如您所见,匿名类实现已经覆盖了Vehicle类实现。新的匿名类中只有一个方法,getSpeedMph()方法返回硬编码值。但是我们可以重写Vehicle类的其他方法,或者添加新的方法。为了便于演示,我们只想让示例保持简单。

根据定义,匿名内部类必须是一个表达式,该表达式是以分号结尾的语句(与任何语句一样)的一部分。该表达式由以下部分组成:

  • new操作员
  • 实现的接口或扩展类的名称,后跟括号,(),表示默认构造函数或扩展类的构造函数(后者是我们的情况,扩展类为Vehicle
  • 使用方法创建类主体

与任何内部类一样,匿名内部类可以访问封闭类的任何成员,并附带内部匿名类使用的警告,封闭类的字段必须隐式声明为final或成为final,这意味着它们的值不能更改。如果您试图更改此值,一个好的现代 IDE 将警告您违反此约束。

使用这些特性,我们可以修改示例代码,为新实现的getSpeedMph(double timeSec)方法提供更多输入数据,而无需将其作为方法参数传递:

public static void main(String... arg) {
  double timeSec = 10.0;
  int engineHorsePower = 246;
  int vehicleWeightPounds = 4000;
  Vehicle vehicle = 
    new Vehicle(vehicleWeightPounds, engineHorsePower){
      public double getSpeedMph(double timeSec){
        double v = 2.0 * engineHorsePower * 746 * 
             timeSec * 32.17 / vehicleWeightPounds;
        return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
      }
    };
  System.out.println("Vehicle speed (" + timeSec + " sec) = " 
                    + vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
}

注意,timeSecengineHorsePowervehicleWeightPounds变量可以通过内部类的getSpeedMph(double timeSec)方法访问,不能修改。如果我们运行前面的代码,结果将与前面相同:

如果接口只有一个抽象方法(称为函数接口),则可以使用另一个构造(称为 Lambda 表达式,而不是匿名内部类)。它提供了一个较短的表示法。我们将在第 4 章“开始函数式”中讨论功能接口和 Lambda 表达式。

还有更多。。。

内部类是非静态嵌套类。Java 还允许我们创建一个静态嵌套类,当内部类不需要访问封闭类的非静态字段和方法时,可以使用该类。下面是一个例子(在Engine类中添加了static关键字):

public class Vehicle {
  private Engine engine;
  public Vehicle(int weightPounds, int horsePower) {
    this.engine = new Engine(horsePower, weightPounds)
  }
  public double getSpeedMph(double timeSec){
    return this.engine.getSpeedMph(timeSec);
  }
  private static class Engine {
    private int horsePower;
    private int weightPounds;
    private Engine(int horsePower, int weightPounds) {
      this.horsePower = horsePower;
    }
    private double getSpeedMph(double timeSec){
      double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * 
                       timeSec * 32.17 / this.weightPounds;
      return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
    }
  }
}

因为静态类无法访问非静态成员,所以在构造Engine类的过程中,我们被迫将权重值传递给Engine类,并删除了getWeightPounds()方法,因为不再需要它。

使用继承和聚合

在本食谱中,您将进一步了解两个重要的 OOP 概念:继承和多态,这两个概念已经在前面的食谱示例中提到并使用过。加上聚合,这些概念使设计更具可扩展性。

准备

继承是一个类获得另一个类的非私有字段和方法所有权的能力。

扩展类称为基类、超类或父类。该类的新扩展称为子类或子类。

多态是使用基类类型引用其子类的对象的能力。

为了演示继承和多态的威力,让我们创建一些类来表示汽车和卡车,每个类都有重量、发动机功率和速度(作为时间的函数)以及最大负载。此外,在这种情况下,汽车的特征是乘客数量,而卡车的重要特征是其有效载荷。

怎么做。。。

  1. 看看Vehicle类:
        public class Vehicle {
          private int weightPounds, horsePower;
          public Vehicle(int weightPounds, int horsePower) {
            this.weightPounds = weightPounds;
            this.horsePower = horsePower;
          }
          public double getSpeedMph(double timeSec){
            double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * 
                     timeSec * 32.17 / this.weightPounds;
            return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
          }
        }
    
    Vehicle类中实现的功能不是特定于汽车或卡车的,因此将此类用作CarTruck类的基类是有意义的,因此每个类都将此功能作为自己的功能。
  2. 创建Car类:
        public class Car extends Vehicle {
          private int passengersCount;
          public Car(int passengersCount, int weightPounds, 
                                             int horsepower){
            super(weightPounds, horsePower);
            this.passengersCount = passengersCount;
          }
          public int getPassengersCount() { 
            return this.passengersCount; 
          }
        }
    
  3. 创建Truck类:
         public class Truck extends Vehicle {
           private int payload;
           public Truck(int payloadPounds, int weightPounds, 
                                              int horsePower){
             super(weightPounds, horsePower);
             this.payload = payloadPounds;
           }
           public int getPayload() { 
             return this.payload; 
           }
         }
    

由于Vehicle基类既没有无参数的隐式构造函数,也没有无参数的显式构造函数(因为我们选择了只使用带参数的显式构造函数),因此我们必须调用基类构造函数super()作为Vehicle类的每个子类的构造函数的第一行。

它是如何工作的。。。

让我们编写一个测试程序:

public static void main(String... arg) {
  double timeSec = 10.0;
  int engineHorsePower = 246;
  int vehicleWeightPounds = 4000;
  Vehicle vehicle = new Car(4, vehicleWeightPounds, engineHorsePower);
  System.out.println("Passengers count=" + 
                                 ((Car)vehicle).getPassengersCount());
  System.out.println("Car speed (" + timeSec + " sec) = " + 
                               vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
  vehicle = new Truck(3300, vehicleWeightPounds, engineHorsePower);
  System.out.println("Payload=" + 
                           ((Truck)vehicle).getPayload() + " pounds");
  System.out.println("Truck speed (" + timeSec + " sec) = " + 
                               vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
}

注意,Vehicle类型的vehicle引用指向Car子类的对象,之后指向Truck子类的对象。由于多态,这是可能的,根据多态,一个对象在其继承行中具有每个类的类型,包括所有接口。

如果您需要调用一个只存在于子类中的方法,那么您必须像在前面的示例中所做的那样,将这样的引用转换为子类类型。

上述代码的结果如下:

当我们看到汽车和卡车的计算速度相同时,我们不应该感到惊讶,因为计算速度时使用的重量和发动机功率都相同。但是,凭直觉,我们觉得一辆重载卡车不应该在同一时间内达到与汽车相同的速度。为了验证这一点,我们需要在速度计算中包括汽车(乘客及其行李)和卡车(有效载荷)的总重量。一种方法是重写每个子类中的Vehicle基类的getSpeedMph(double timeSec)方法。

我们可以将getSpeedMph(double timeSec)方法添加到Car类中,这将覆盖基类中具有相同签名的方法。此方法将使用车辆特定重量计算:

public double getSpeedMph(double timeSec) {
  int weight = this.weightPounds + this.passengersCount * 250;
  double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * timeSec * 32.17 / weight;
  return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
}

在前面的代码中,我们假设一名携带行李的乘客平均总重量为250磅。

同样,我们可以将getSpeedMph(double timeSec)方法添加到Truck类中:

public double getSpeedMph(double timeSec) {
  int weight = this.weightPounds + this.payload;
  double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * timeSec * 32.17 / weight;
  return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
}

这些修改的结果(如果我们运行相同的测试类)如下所示:

结果证实了我们的直觉——满载的汽车或卡车不会达到与空车相同的速度。

子类中的新方法覆盖了Vehicle基类的getSpeedMph(double timeSec),尽管我们通过基类引用访问它:

Vehicle vehicle =  new Car(4, vehicleWeightPounds, engineHorsePower);
System.out.println("Car speed (" + timeSec + " sec) = " + 
                              vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph");

重写的方法是动态绑定的,这意味着方法调用的上下文由所引用的实际对象的类型决定。因为在我们的示例中,vehicle引用指向Car子类的对象,vehicle.getSpeedMph(double timeSec)构造调用子类的方法,而不是基类的方法。

在这两个新方法中存在明显的代码冗余,我们可以通过在Vehicle基类中创建一个方法进行重构,然后在每个子类中使用它:

protected double getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds) {
  double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * 
                              timeSec * 32.17 / weightPounds;
  return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
}

由于此方法仅由子类使用,因此它可以是protected,因此只能由子类访问。

现在我们可以修改Car类中的getSpeedMph(double timeSec)方法,如下所示:

public double getSpeedMph(double timeSec) {
  int weightPounds = this.weightPounds + this.passengersCount * 250;
  return getSpeedMph(timeSec, weightPounds);
}

在前面的代码中,调用getSpeedMph(timeSec, weightPounds)方法时不需要使用super关键字,因为具有此类签名的方法只存在于Vehicle基类中,并且没有歧义。

Truck类的getSpeedMph(double timeSec)方法中也可以进行类似的更改:

public double getSpeedMph(double timeSec) {
  int weightPounds = this.weightPounds + this.payload;
  return getSpeedMph(timeSec, weightPounds);
}

现在我们需要通过添加 casting 来修改测试类,否则会出现运行时错误,因为Vehicle基类中不存在getSpeedMph(double timeSec)方法:

public static void main(String... arg) {
    double timeSec = 10.0;
    int engineHorsePower = 246;
    int vehicleWeightPounds = 4000;
    Vehicle vehicle = new Car(4, vehicleWeightPounds, 
    engineHorsePower);
    System.out.println("Passengers count=" + 
    ((Car)vehicle).getPassengersCount());
    System.out.println("Car speed (" + timeSec + " sec) = " +
                       ((Car)vehicle).getSpeedMph(timeSec) + " mph");
    vehicle = new Truck(3300, vehicleWeightPounds, engineHorsePower);
    System.out.println("Payload=" + 
                          ((Truck)vehicle).getPayload() + " pounds");
    System.out.println("Truck speed (" + timeSec + " sec) = " + 
                     ((Truck)vehicle).getSpeedMph(timeSec) + " mph");
  }
}

正如您所料,测试类生成相同的值:

为了简化测试代码,我们可以放弃强制转换并编写以下代码:

public static void main(String... arg) {
  double timeSec = 10.0;
  int engineHorsePower = 246;
  int vehicleWeightPounds = 4000;
  Car car = new Car(4, vehicleWeightPounds, engineHorsePower);
  System.out.println("Passengers count=" + car.getPassengersCount());
  System.out.println("Car speed (" + timeSec + " sec) = " + 
                                  car.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
  Truck truck = 
              new Truck(3300, vehicleWeightPounds, engineHorsePower);
  System.out.println("Payload=" + truck.getPayload() + " pounds");
  System.out.println("Truck speed (" + timeSec + " sec) = " + 
                                truck.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
}

此代码生成的速度值保持不变。

然而,有一种更简单的方法可以达到同样的效果。我们可以将getMaxWeightPounds()方法添加到基类和每个子类中。Car类现在将如下所示:

public class Car extends Vehicle {
  private int passengersCount, weightPounds;
  public Car(int passengersCount, int weightPounds, int horsePower){
    super(weightPounds, horsePower);
    this.passengersCount = passengersCount;
    this.weightPounds = weightPounds;
  }
  public int getPassengersCount() { 
    return this.passengersCount;
  }
  public int getMaxWeightPounds() {
    return this.weightPounds + this.passengersCount * 250;
  }
}

下面是新版本的Truck类现在的样子:

public class Truck extends Vehicle {
  private int payload, weightPounds;
  public Truck(int payloadPounds, int weightPounds, int horsePower) {
    super(weightPounds, horsePower);
    this.payload = payloadPounds;
    this.weightPounds = weightPounds;
  }
  public int getPayload() 
  public int getMaxWeightPounds() {
    return this.weightPounds + this.payload;
  }
}

我们还需要将getMaxWeightPounds()方法添加到基类中,以便用于速度计算:

public abstract class Vehicle {
  private int weightPounds, horsePower;
  public Vehicle(int weightPounds, int horsePower) {
    this.weightPounds = weightPounds;
    this.horsePower = horsePower;
  }
  public abstract int getMaxWeightPounds();
  public double getSpeedMph(double timeSec){
    double v = 2.0 * this.horsePower * 746 * 
                             timeSec * 32.17 / getMaxWeightPounds();
    return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
  }
}

将抽象方法getMaxWeightPounds()添加到Vehicle类会使该类变得抽象。这有一个积极的副作用,它在每个子类中强制实现getMaxWeightPounds()方法。否则,子类不能实例化,也必须声明为抽象的。

测试类保持不变并产生相同的结果:

但是,老实说,我们这样做只是为了演示使用抽象方法和类的一种可能方式。事实上,更简单的解决方案是将最大权重作为参数传递给Vehicle基类的构造函数。生成的类将如下所示:

public class Car extends Vehicle {
  private int passengersCount;
  public Car(int passengersCount, int weightPounds, int horsepower){
    super(weightPounds + passengersCount * 250, horsePower);
    this.passengersCount = passengersCount;
  }
  public int getPassengersCount() { 
    return this.passengersCount; }
}

我们将乘客的重量添加到传递给超类构造函数的值中;这是该子类中唯一的更改。以下是Truck类中的类似变化:

public class Truck extends Vehicle {
  private int payload;
  public Truck(int payloadPounds, int weightPounds, int horsePower) {
    super(weightPounds + payloadPounds, horsePower);
    this.payload = payloadPounds;
  }
  public int getPayload() 
}

Vehicle基类与原来的基类保持一致:

public class Vehicle {
  private int weightPounds, horsePower;
  public Vehicle(int weightPounds, int horsePower) {
    this.weightPounds = weightPounds;
    this.horsePower = horsePower;
  }
  public double getSpeedMph(double timeSec){
    double v = 2.0 * this.horsePower * 746;
    v = v * timeSec * 32.174 / this.weightPounds;
    return Math.round(Math.sqrt(v) * 0.68);
  }
}

测试类不会更改并产生相同的结果:

最后一个版本将最大权重传递给基类的构造函数,现在将成为进一步代码演示的起点。

聚合使设计更具可扩展性

在前面的示例中,速度模型是在Vehicle类的getSpeedMph(double timeSec)方法中实现的。如果我们需要使用不同的速度模型(例如,它包含更多的输入参数,并且更适合某些驾驶条件),我们需要更改Vehicle类或创建一个新的子类来覆盖该方法。如果我们需要用几十种甚至数百种不同的模型进行实验,这种方法就站不住脚了。

此外,在现实生活中,基于机器学习和其他先进技术的建模变得如此复杂和专业化,以至于汽车加速建模通常由不同的团队完成,而不是由组装汽车模型的团队完成。

为了避免子类的激增和车辆构建者和速度模型开发人员之间的代码合并冲突,我们可以使用聚合创建更具扩展性的设计。

聚合是一种 OOD 原则,用于使用不属于继承层次结构的类的行为来实现必要的功能。该行为可以独立于聚合功能而存在。

我们可以将速度计算封装在getSpeedMph(double timeSec)方法中的SpeedModel类中:

public class SpeedModel{
  private Properties conditions;
  public SpeedModel(Properties drivingConditions){
    this.drivingConditions = drivingConditions;
  }
  public double getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds,
                                               int horsePower){
    String road = 
         drivingConditions.getProperty("roadCondition","Dry");
    String tire = 
         drivingConditions.getProperty("tireCondition","New");
    double v = 2.0 * horsePower * 746 * timeSec * 
                                         32.17 / weightPounds;
    return Math.round(Math.sqrt(v)*0.68)-road.equals("Dry")? 2 : 5) 
                                       -(tire.equals("New")? 0 : 5);
  }
}

可以创建此类的对象,然后将其设置为Vehicle类字段的值:

public class Vehicle {
   private SpeedModel speedModel;       
   private int weightPounds, horsePower;
   public Vehicle(int weightPounds, int horsePower) {
      this.weightPounds = weightPounds;
      this.horsePower = horsePower;
   }
   public void setSpeedModel(SpeedModel speedModel){
      this.speedModel = speedModel;
   }
   public double getSpeedMph(double timeSec){
      return this.speedModel.getSpeedMph(timeSec,
                       this.weightPounds, this.horsePower);
   }
}

测试类更改如下:

public static void main(String... arg) {
  double timeSec = 10.0;
  int horsePower = 246;
  int vehicleWeight = 4000;
  Properties drivingConditions = new Properties();
  drivingConditions.put("roadCondition", "Wet");
  drivingConditions.put("tireCondition", "New");
  SpeedModel speedModel = new SpeedModel(drivingConditions);
  Car car = new Car(4, vehicleWeight, horsePower);
  car.setSpeedModel(speedModel);
  System.out.println("Car speed (" + timeSec + " sec) = " + 
                         car.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
}

上述代码的结果如下:

我们将速度计算功能隔离在一个单独的类中,现在可以修改或扩展它,而无需更改Vehicle继承层次结构的任何类。这就是聚合设计原则允许您在不更改实现的情况下更改行为的方式。

在下一个菜谱中,我们将向您展示接口的 OOP 概念如何释放聚合和多态的更强大功能,从而使设计更简单、更具表现力。

对接口进行编码

在本教程中,您将学习最后一个 OOP 概念,即接口,并进一步练习聚合和多态以及内部类和继承的使用。

准备

接口定义了在实现接口的类中可以看到的方法的签名。它是客户端可以访问的功能的公共面,因此通常被称为应用程序接口API)。它支持多态和聚合,并有助于更灵活和可扩展的设计。

接口是隐式抽象的,这意味着它不能被实例化。如果不实现接口,则不能仅基于接口创建任何对象。它仅用于包含抽象方法(无正文)。但是自从 Java8 以来,可以向接口添加默认方法和私有方法,这是我们将在下面的菜谱中讨论的功能。

每个接口都可以扩展多个其他接口,并且类似于类继承,继承扩展接口的所有默认和抽象方法。无法继承静态成员,因为它们属于特定接口。

怎么做。。。

  1. 创建描述 API 的接口:
    public interface SpeedModel {
    double getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds, 
                                            int horsePower);
    }
    public interface Vehicle {
    void setSpeedModel(SpeedModel speedModel);
    double getSpeedMph(double timeSec);
    }
    public interface Car extends Vehicle {
    int getPassengersCount();
    }
    public interface Truck extends Vehicle {
    int getPayloadPounds();
    }
    
  2. 使用工厂,工厂是生成实现某些接口的对象的类。工厂对客户机代码隐藏了实现的细节,因此客户机只处理接口。当实例创建需要复杂的过程和/或大量代码重复时,它尤其有用。在我们的例子中,有一个FactoryVehicle类可以创建实现VehicleCarTruck接口的类的对象。我们还将创建FactorySpeedModel类,该类生成实现SpeedModel接口的类的对象。这样的 API 允许我们编写以下代码:
    public static void main(String... arg) {
    double timeSec = 10.0;
    int horsePower = 246;
    int vehicleWeight = 4000;
    Properties drivingConditions = new Properties();
    drivingConditions.put("roadCondition", "Wet");
    drivingConditions.put("tireCondition", "New");
    SpeedModel speedModel  = FactorySpeedModel.
                 generateSpeedModel(drivingConditions);
    Car car = FactoryVehicle.
                buildCar(4, vehicleWeight, horsePower);
    car.setSpeedModel(speedModel);
    System.out.println("Car speed (" + timeSec + " sec) = " 
                      + car.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
    }
    
  3. 请注意,代码行为与前面的示例中相同:

但是,该设计的可扩展性要大得多。

它是如何工作的。。。

我们已经看到了SpeedModel接口的一种可能实现。下面是另一种方法,将SpeedModel类型的对象聚合到FactorySpeedModel类中:

public class FactorySpeedModel {
  public static SpeedModel generateSpeedModel(
  Properties drivingConditions){
    //if drivingConditions includes "roadCondition"="Wet"
    return new SpeedModelWet(...);
    //if drivingConditions includes "roadCondition"="Dry"
    return new SpeedModelDry(...);
  }
  private class SpeedModelWet implements SpeedModel{
    public double getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds, 
                                                     int horsePower){
       //method code goes here
    }
  }
  private class SpeedModelDry implements SpeedModel{
    public double getSpeedMph(double timeSec, int weightPounds, 
                                                     int horsePower){
      //method code goes here
    }
  }
}

为了简洁起见,我们将注释放在伪代码中,...符号代替了实际代码。

如您所见,工厂类可能隐藏许多不同的私有类,每个私有类都包含特定驾驶条件的专用模型。每个模型产生不同的结果。 FactoryVehicle类的实现可能如下所示:

public class FactoryVehicle {
  public static Car buildCar(int passengersCount, 
                               int weightPounds, int horsePower){
    return new CarImpl(passengersCount, weightPounds,horsePower);
  }
  public static Truck buildTruck(int payloadPounds, 
                               int weightPounds, int horsePower){
    return new TruckImpl(payloadPounds, weightPounds,horsePower);
  }
}

CarImpl私有嵌套类在FactoryVehicle类中可以如下所示:

  private static class CarImpl extends VehicleImpl implements Car {
    private int passengersCount;
    private CarImpl(int passengersCount, int weightPounds,
                                                 int horsePower){
      super(weightPounds + passengersCount * 250, horsePower);
      this.passengersCount = passengersCount;
    }
    public int getPassengersCount() { 
      return this.passengersCount;
    }
  }

类似地,TruckImpl类可以是FactoryImpl类的私有嵌套类:

  private static class TruckImpl extends VehicleImpl implements Truck {
    private int payloadPounds;
    private TruckImpl(int payloadPounds, int weightPounds, 
                                                     int horsePower){
      super(weightPounds+payloadPounds, horsePower);
      this.payloadPounds = payloadPounds;
    }
    public int getPayloadPounds()
  }

我们也可以将VehicleImpl类放置为FactoryVehicle类的私有内部类,这样CarImplTruckImpl类可以访问它,但FactoryVehicle之外的任何其他类都不能访问:

  private static abstract class VehicleImpl implements Vehicle {
    private SpeedModel speedModel;
    private int weightPounds, horsePower;
    private VehicleImpl(int weightPounds, int horsePower){
      this.weightPounds = weightPounds;
      this.horsePower = horsePower;
    }
    public void setSpeedModel(SpeedModel speedModel){ 
      this.speedModel = speedModel; 
    }
    public double getSpeedMph(double timeSec){
      return this.speedModel.getSpeedMph(timeSec, weightPounds, 
                                                    horsePower);
    }
  }

如您所见,接口描述了如何调用对象行为,而工厂可以为不同的请求生成不同的实现,而无需更改客户端应用程序的代码。

还有更多。。。

让我们试着模拟一个乘员驾驶室——一辆具有多个乘客座椅的卡车,它结合了汽车和卡车的特性。Java 不允许多重继承。这是另一种情况,界面起到了救援作用。 CrewCab类可能如下所示:

public class CrewCab extends VehicleImpl implements Car, Truck {
  private int payloadPounds;
  private int passengersCount;
  private CrewCabImpl(int passengersCount, int payloadPounds,
                             int weightPounds, int horsePower) {
     super(weightPounds + payloadPounds + passengersCount * 250, 
                                                     horsePower);
     this.payloadPounds = payloadPounds;
     this. passengersCount = passengersCount;
  }
  public int getPayloadPounds()
  public int getPassengersCount() { 
     return this.passengersCount;
  }
}

该类实现了两个接口-CarTruck-并将车辆、有效载荷和乘客及其行李的组合重量传递给基类构造函数。

我们也可以在FactoryVehicle中添加以下方法:

public static Vehicle buildCrewCab(int passengersCount, 
                      int payload, int weightPounds, int horsePower){
  return new CrewCabImpl(passengersCount, payload, 
                                           weightPounds, horsePower);
}

CrewCab对象的双重性质可以通过以下测试来证明:

public static void main(String... arg) {
  double timeSec = 10.0;
  int horsePower = 246;
  int vehicleWeight = 4000;
  Properties drivingConditions = new Properties();
  drivingConditions.put("roadCondition", "Wet");
  drivingConditions.put("tireCondition", "New");
  SpeedModel speedModel = 
      FactorySpeedModel.generateSpeedModel(drivingConditions);
  Vehicle vehicle = FactoryVehicle.
             buildCrewCab(4, 3300, vehicleWeight, horsePower);
  vehicle.setSpeedModel(speedModel);
  System.out.println("Payload = " +
            ((Truck)vehicle).getPayloadPounds()) + " pounds");
  System.out.println("Passengers count = " + 
                         ((Car)vehicle).getPassengersCount());
  System.out.println("Crew cab speed (" + timeSec + " sec) = "  
                     + vehicle.getSpeedMph(timeSec) + " mph");
}

如您所见,我们可以将CrewCub类的对象强制转换为它实现的每个接口。如果我们运行此程序,结果如下:

使用默认和静态方法创建接口

在本教程中,您将了解 Java 8 中首次引入的两个新特性—接口中的默认方法和静态方法。

准备

接口中的默认方法允许我们添加新方法签名,而无需在添加新方法签名之前更改已实现此接口的类。该方法称为默认,因为它提供了在类未实现该方法时的功能。但是,如果类实现了它,则接口的默认实现将被类实现忽略并覆盖。

接口中的静态方法可以提供与类中的静态方法相同的功能。与类静态方法类似,类静态方法可以在没有类实例化的情况下调用,接口静态方法也可以使用应用于接口的点运算符SomeInterface.someStaticMethod()来调用。

接口的静态方法不能被实现此接口的类重写,也不能隐藏任何类的任何静态方法,包括实现此接口的类。

例如,让我们在示例中已经使用的系统中添加一些功能。到目前为止,我们已经创造了一个惊人的软件来计算车辆的速度。如果该系统变得流行(应该如此),我们希望它对喜欢公制单位的读者更友好,而不是我们在速度计算中使用的英里和磅。在我们的速度计算软件流行之后,为了满足这种需求,我们决定在CarTruck接口中添加更多方法,但我们不想破坏现有的实现。

默认接口方法正是针对这种情况引入的。使用它,我们可以发布新版本的CarTruck接口,而无需将发布与现有实现的相应修改相协调,即CarImplTruckImplFactoryVehicle类。

怎么做。。。

例如,我们将更改Truck接口。Car接口可以类似方式修改:

  1. 通过添加返回卡车有效载荷(单位为千克)的getPayloadKg()方法来增强Truck接口。通过向Truck接口添加新的默认方法,您可以在不强制更改实现Truck接口的TruckImpl类的情况下执行此操作:
      public interface Truck extends Vehicle {
          int getPayloadPounds();
          default int getPayloadKg(){
            return (int) Math.round(0.454 * getPayloadPounds());
          }
      }
    

注意新的getPayloadKg()方法如何使用现有的getPayloadPounds()方法,就好像后者也在接口内部实现一样,尽管事实上,它是在实现Truck接口的类中实现的。当这个方法动态地绑定到实现这个接口的类的实例时,神奇的事情就会发生在运行时。

我们无法将getPayloadKg()方法设置为静态,因为它将无法访问非静态getPayloadPounds()方法,并且我们必须使用default关键字,因为只有接口的默认或静态方法才能有主体。

  1. 编写使用新方法的客户端代码:
      public static void main(String... arg) {
         Truck truck = FactoryVehicle.buildTruck(3300, 4000, 246);
         System.out.println("Payload in pounds: " + 
                                        truck.getPayloadPounds());
         System.out.println("Payload in kg: " + 
                                            truck.getPayloadKg());
      }
    
  2. 运行前面的程序并检查输出:

  1. 请注意,新方法甚至可以在不更改实现它的类的情况下工作。
  2. 当您决定改进TruckImpl类的实现时,可以通过添加相应的方法来实现,例如:
       class TruckImpl extends VehicleImpl implements Truck {
          private int payloadPounds;
          private TruckImpl(int payloadPounds, int weightPounds,
                                                int horsePower) {
            super(weightPounds + payloadPounds, horsePower);
            this.payloadPounds = payloadPounds;
          }
          public int getPayloadPounds()
          public int getPayloadKg()
       }
    

我们已经将getPyloadKg()方法实现为return -2,以便明确使用哪种实现。

  1. 运行相同的演示程序。结果如下:

如您所见,这次使用了TruckImpl类中的方法实现。它已经覆盖了Truck接口中的默认实现。

  1. 增强Truck接口,在不改变FactoryVehicleTruck接口实现的情况下,以千克为单位输入有效载荷。另外,我们不想添加设置器方法。有了所有这些限制,我们唯一的办法就是将convertKgToPounds(int kgs)添加到Truck接口中,它必须是static,因为我们将在构建实现Truck接口的对象之前使用它:
      public interface Truck extends Vehicle {
          int getPayloadPounds();
          default int getPayloadKg(){
            return (int) Math.round(0.454 * getPayloadPounds());
          }
          static int convertKgToPounds(int kgs){
            return (int) Math.round(2.205 * kgs);
          }
       }
    

它是如何工作的。。。

喜欢公制单位的人现在可以利用新方法:

public static void main(String... arg) {
  int horsePower = 246;
  int payload = Truck.convertKgToPounds(1500);
  int vehicleWeight = Truck.convertKgToPounds(1800);
  Truck truck = FactoryVehicle.
           buildTruck(payload, vehicleWeight, horsePower);
  System.out.println("Payload in pounds: " + 
                                truck.getPayloadPounds());
  int kg = truck.getPayloadKg();
  System.out.println("Payload converted to kg: " + kg);
  System.out.println("Payload converted back to pounds: " + 
                              Truck.convertKgToPounds(kg));
}

结果如下:

1502 的值接近于原来的 1500,而 3308 的值接近于 3312。这种差异是由转换过程中近似值的误差引起的。

使用私有方法创建接口

在本教程中,您将了解 Java9 中引入的一个新特性,即私有接口方法,它有两种类型:静态和非静态。

准备

私有接口方法必须有一个实现(带有代码的主体)。同一接口的其他方法未使用的私有接口方法没有意义。私有方法的目的是包含两个或多个方法之间通用的功能,这些方法的主体位于同一接口中,或者在单独的方法中隔离一段代码,以获得更好的结构和可读性。私有接口方法不能被任何其他接口的方法重写,也不能被实现该接口的类中的方法重写。

非静态私有接口方法只能由同一接口的非静态方法访问。静态私有接口方法可以由同一接口的非静态和静态方法访问。

怎么做。。。

  1. 增加getWeightKg(int pounds)方法实现:
     public interface Truck extends Vehicle {
         int getPayloadPounds();
         default int getPayloadKg(){
            return (int) Math.round(0.454 * getPayloadPounds());
         }
         static int convertKgToPounds(int kilograms){
            return (int) Math.round(2.205 * kilograms);
         }
         default int getWeightKg(int pounds){
            return (int) Math.round(0.454 * pounds);
         }
     }
    
  2. 使用专用接口方法删除冗余代码:
    public interface Truck extends Vehicle {
        int getPayloadPounds();
        default int getPayloadKg(int pounds){
            return convertPoundsToKg(pounds);
        }
        static int convertKgToPounds(int kilograms){
            return (int) Math.round(2.205 * kilograms);
        }
        default int getWeightKg(int pounds){
            return convertPoundsToKg(pounds);
        }
        private int convertPoundsToKg(int pounds){
            return (int) Math.round(0.454 * pounds);
        }
    }
    

它是如何工作的。。。

以下代码演示了新添加的内容:

public static void main(String... arg) {
  int horsePower = 246;
  int payload = Truck.convertKgToPounds(1500);
  int vehicleWeight = Truck.convertKgToPounds(1800);
  Truck truck = 
      FactoryVehicle.buildTruck(payload, vehicleWeight, horsePower);
  System.out.println("Weight in pounds: " + vehicleWeight);
  int kg = truck.getWeightKg(vehicleWeight);
  System.out.println("Weight converted to kg: " + kg);
  System.out.println("Weight converted back to pounds: " + 
                                       Truck.convertKgToPounds(kg));
}

试验结果不变:

还有更多。。。

getWeightKg(int pounds)方法接受输入参数时,方法名称可能会产生误导,因为它没有捕获输入参数的权重单位。我们可以尝试将其命名为getWeightKgFromPounds(int pounds),但这并不能使方法的功能更清晰。在意识到这一点后,我们决定公开convertPoundsToKg(int pounds)方法,并完全删除getWeightKg(int pounds)方法。由于convertPoundsToKg(int pounds)方法不需要访问对象字段,因此也可以是静态的:

public interface Truck extends Vehicle {
  int getPayloadPounds();
  default int getPayloadKg(int pounds){
    return convertPoundsToKg(pounds);
  }
  static int convertKgToPounds(int kilograms){
    return (int) Math.round(2.205 * kilograms);
  }
  static int convertPoundsToKg(int pounds){
    return (int) Math.round(0.454 * pounds);
  }
}

米制的爱好者们仍然能够把磅换算成公斤。此外,由于两种转换方法都是静态的,我们不需要创建实现Truck接口的类的实例来进行转换:

public static void main(String... arg) {
  int payload = Truck.convertKgToPounds(1500);
  int vehicleWeight = Truck.convertKgToPounds(1800);
  System.out.println("Weight in pounds: " + vehicleWeight);
  int kg = Truck.convertPoundsToKg(vehicleWeight);
  System.out.println("Weight converted to kg: " + kg);
  System.out.println("Weight converted back to pounds: " + 
                                     Truck.convertKgToPounds(kg));
}

结果不会改变:

使用可选的

在本食谱中,您将学习如何使用java.util.Optional类来表示可选值,而不是使用null引用。它在 Java8 中引入,并在 Java9 中进一步增强,其中又添加了三种方法:or()ifPresentOrElse()stream()。我们将展示所有这些。

准备

Optional类是一个围绕值的包装器,该值可以是null或任何类型的值。这是为了帮助避免可怕的NullPointerException。但是,到目前为止,Optional的引入只在一定程度上帮助实现了这一点,而且主要是在流和函数编程领域。

激发Optional类创建的愿景是对Optional对象调用isPresent()方法,然后仅当isPresent()方法返回true时才应用get()方法(获取包含的值)。不幸的是,当无法保证对Optional对象本身的引用不是null时,需要检查它以避免NullPointerException。如果是这样的话,那么使用Optional的价值就会降低,因为通过更少的代码编写,我们可以检查null值本身,避免将其包装在Optional中?让我们编写代码来说明我们一直在讨论的内容。

假设我们想写一个检查彩票结果的方法,如果你和朋友一起买的彩票中奖了,计算你 50% 的份额。传统的做法是:

void checkResultInt(int lotteryPrize){
    if(lotteryPrize <= 0){
        System.out.println("We've lost again...");
        System.out.println("We've won! Your half is " + 
                     Math.round(((double)lotteryPrize)/2) + "!");
    }
}

但是,为了演示如何使用Optional,我们将假设结果为Integer类型。然后,我们还需要检查null,如果我们不确定传入的值不能是null

void checkResultInt(Integer lotteryPrize){
    if(lotteryPrize == null || lotteryPrize <= 0){
        System.out.println("We've lost again...");
        System.out.println("We've won! Your half is " + 
                    Math.round(((double)lotteryPrize)/2) + "!");
    }
}

使用Optional类无助于避免对null的检查。它甚至需要添加一个额外的检查isPresent(),以便我们在获取值时可以避免NullPointerException

void checkResultOpt(Optional<Integer> lotteryPrize){
    if(lotteryPrize == null || !lotteryPrize.isPresent() 
                                        || lotteryPrize.get() <= 0){
        System.out.println("We lost again...");
        System.out.println("We've won! Your half is " + 
                   Math.round(((double)lotteryPrize.get())/2) + "!");
    }
}

显然,Optional前面的用法无助于改进代码或使编码更容易。在 Lambda 表达式和流管道中使用Optional更有潜力,因为Optional对象提供了可以通过点运算符调用的方法,并且可以插入到流畅风格的处理代码中。

怎么做。。。

  1. 使用已演示的任何方法创建一个Optional对象,如下所示:
    Optional<Integer> prize1 = Optional.empty();
    System.out.println(prize1.isPresent()); //prints: false
    System.out.println(prize1);   //prints: Optional.empty
    Optional<Integer> prize2 = Optional.of(1000000);
    System.out.println(prize2.isPresent()); //prints: true
    System.out.println(prize2);  //prints: Optional[1000000]
    //Optional<Integer> prize = Optional.of(null); 
                                  //NullPointerException
    Optional<Integer> prize3 = Optional.ofNullable(null);
    System.out.println(prize3.isPresent());  //prints: false
    System.out.println(prize3);     //prints: Optional.empty
    

请注意,null值可以使用ofNullable()方法包装在Optional对象中。

  1. 可以使用equals()方法比较两个Optional对象,该方法通过数值进行比较:
    Optional<Integer> prize1 = Optional.empty();
    System.out.println(prize1.equals(prize1)); //prints: true
    Optional<Integer> prize2 = Optional.of(1000000);
    System.out.println(prize1.equals(prize2)); //prints: false
    Optional<Integer> prize3 = Optional.ofNullable(null);
    System.out.println(prize1.equals(prize3)); //prints: true
    Optional<Integer> prize4 = Optional.of(1000000);
    System.out.println(prize2.equals(prize4)); //prints: true
    System.out.println(prize2 == prize4); //prints: false
    Optional<Integer> prize5 = Optional.of(10);
    System.out.println(prize2.equals(prize5)); //prints: false
    Optional<String> congrats1 = Optional.empty();
    System.out.println(prize1.equals(congrats1));//prints: true
    Optional<String> congrats2 = Optional.of("Happy for you!");
    System.out.println(prize1.equals(congrats2));//prints: false
    

请注意,空的Optional对象等于包装null值的对象(前面代码中的prize1prize3对象)。前面代码中的prize2prize4对象是相等的,因为它们包含相同的值,尽管它们是不同的对象并且引用不匹配(prize2 != prize4。另外,请注意,包装不同类型的空对象是相等的(prize1.equals(congrats1),这意味着Optional类的equals()方法不会比较值类型。

三。使用Optional类的or(Suppier<Optional<T>> supplier)方法从Optional对象可靠地返回非空值。如果对象为空且包含null,则返回由提供的Supplier函数生成的Optional对象中包含的另一个值。

例如,如果Optional<Integer> lotteryPrize对象可以包含null值,则每次遇到null值时,以下构造将返回零:

       int prize = lotteryPrize.or(() -> Optional.of(0)).get();
  1. 使用ifPresent(Consumer<T> consumer)方法忽略null值,并使用提供的Consumer<T>函数处理非空值。例如,processIfPresent(Optional<Integer>)方法处理Optional<Integer> lotteryPrize对象:
    void processIfPresent(Optional<Integer> lotteryPrize){
    lotteryPrize.ifPresent(prize -> {
      if(prize <= 0){
          System.out.println("We've lost again...");
          System.out.println("We've won! Your half is " + 
                    Math.round(((double)prize)/2) + "!");
     }
    });
    

我们可以通过创建checkResultAndShare(int prize)方法来简化前面的代码:

void checkResultAndShare(int prize){
    if(prize <= 0){
        System.out.println("We've lost again...");
        System.out.println("We've won! Your half is " + 
                   Math.round(((double)prize)/2) + "!");
    }
}

现在,processIfPresent()方法看起来简单多了:

void processIfPresent(Optional<Integer> lotteryPrize){
    lotteryPrize.ifPresent(prize -> checkResultAndShare(prize));
}
  1. 如果您不想忽略null值并对其进行处理,可以使用ifPresentOrElse(Consumer<T> consumer, Runnable processEmpty)方法将Consumer<T>函数应用于非空值,并使用Runnable功能接口处理null值:
    void processIfPresentOrElse(Optional<Integer> lotteryPrize){
    Consumer<Integer> weWon = 
                       prize -> checkResultAndShare(prize);
    Runnable weLost = 
           () -> System.out.println("We've lost again...");
    lotteryPrize.ifPresentOrElse(weWon, weLost);
    }
    

如您所见,我们重用了刚刚创建的checkResultAndShare(int prize)方法。

  1. 使用orElseGet(Supplier<T> supplier)方法,我们可以用提供的Supplier<T>函数生成的值替换空值或null值(包含在Optional对象中):
    void processOrGet(Optional<Integer> lotteryPrize){
    int prize = lotteryPrize.orElseGet(() -> 42);
    lotteryPrize.ifPresentOrElse(p -> checkResultAndShare(p),
      () -> System.out.println("Better " + prize 
                                     + " than nothing..."));
    }
    
  2. 如果Optional对象为空或包含null值时需要抛出异常,请使用orElseThrow()方法:
    void processOrThrow(Optional<Integer> lotteryPrize){
    int prize = lotteryPrize.orElseThrow();
    checkResultAndShare(prize);
    }
    
    orElseThrow()方法的重载版本允许我们指定一个异常,以及当Optional对象中包含的值为null时您想要抛出的消息:
    void processOrThrow(Optional<Integer> lotteryPrize){
    int prize = lotteryPrize.orElseThrow(() -> 
           new RuntimeException("We've lost again..."));
    checkResultAndShare(prize);
    }
    
  3. 使用filter()map()flatMap()方法处理流中的Optional对象:
    void useFilter(List<Optional<Integer>> list){
    list.stream().filter(opt -> opt.isPresent())
         .forEach(opt -> checkResultAndShare(opt.get()));
    }
    void useMap(List<Optional<Integer>> list){
    list.stream().map(opt -> opt.or(() -> Optional.of(0)))
         .forEach(opt -> checkResultAndShare(opt.get()));
    }
    void useFlatMap(List<Optional<Integer>> list){
    list.stream().flatMap(opt -> 
           List.of(opt.or(()->Optional.of(0))).stream())
        .forEach(opt -> checkResultAndShare(opt.get()));
    }
    

在前面的代码中,useFilter()方法只处理那些具有非空值的流元素。useMap()方法处理所有流元素,但替换不带任何值的Optional对象,或将null值包装为包装为零的Optional对象。最后一种方法使用flatMap(),这需要从提供的函数返回流。在这方面,我们的示例非常无用,因为我们作为flatMap()参数传递的函数会生成一个对象的流,因此在这里使用map()(如前面的useMap()方法)是更好的解决方案。我们这样做只是为了演示如何将flatMap()方法插入流管道。

它是如何工作的。。。

下面的代码演示了所描述的Optional类的功能。useFlatMap()方法接受Optional对象列表,创建流,并处理每个发出的元素:

void useFlatMap(List<Optional<Integer>> list){
    Function<Optional<Integer>, 
      Stream<Optional<Integer>>> tryUntilWin = opt -> {
        List<Optional<Integer>> opts = new ArrayList<>();
        if(opt.isPresent()){
            opts.add(opt);
            int prize = 0;
            while(prize == 0){
                double d = Math.random() - 0.8;
                prize = d > 0 ? (int)(1000000 * d) : 0;
                opts.add(Optional.of(prize));
            }
        }
        return opts.stream();
    };
    list.stream().flatMap(tryUntilWin)
        .forEach(opt -> checkResultAndShare(opt.get()));
}

原始列表的每个元素首先进入flatMap()方法,作为tryUntilWin函数的输入。此函数首先检查Optional对象的值是否存在。如果是,Optional对象作为流的单个元素发射,并通过checkResultAndShare()方法进行处理。但如果tryUntilWin函数确定Optional对象中没有值或值为null,则会生成一个介于-0.80.2之间的随机双数。如果该值为负数,则向结果列表中添加一个值为零的Optional对象,并生成一个新的随机数。但如果生成的数字为正数,则用于计算奖品值,并将其添加到包裹在Optional对象中的结果列表中。然后,Optional对象的结果列表作为流返回,流的每个元素都由checkResultAndShare()方法处理。

现在,让我们对以下列表运行前面的方法:

List<Optional<Integer>> list = List.of(Optional.empty(), 
                                       Optional.ofNullable(null), 
                                       Optional.of(100000));
useFlatMap(list);

结果如下:

如您所见,当处理第一个列表元素Optional.empty()时,tryUntilWin函数成功地从第三次尝试中获得了一个正的prize值。第二个Optional.ofNullable(null)对象导致两次尝试,直到tryUntilWin功能成功。最后一件物品成功通过并奖励你和你的朋友每人 50000 英镑。

还有更多。。。

Optional类的对象不可序列化,因此不能用作对象的字段。这是另一个指示,Optional类的设计者打算在无状态进程中使用。

它使流处理管道更加紧凑和富有表现力,将重点放在实际值上,而不是检查流中是否有空元素。

使用实用程序类对象

在本教程中,您将了解java.util.Objects实用程序类如何更好地处理与对象比较相关的对象相关功能、计算哈希值以及检查null。这是一段很长的时间,因为程序员们一次又一次地编写相同的代码来检查对象的null

准备

Objects类只有 17 个方法,都是静态的。为了更好地了解情况,我们将他们分为七组:

  • compare():一种方法使用提供的Comparator对两个对象进行比较
  • toString():将Object值转换为String值的两种方法
  • checkIndex():三种方法允许我们检查集合或数组的索引和长度是否兼容
  • requireNonNull():如果提供的对象为null,则五个方法抛出异常
  • hash()hashCode():计算单个对象或对象数组哈希值的两种方法
  • isNull()nonNull():包装obj == nullobj != null表达式的两种方法
  • equals()deepEquals():两种方法,用于比较两个可以为null或数组的对象

我们将在前面的序列中编写使用这些方法的代码。

怎么做。。。

  1. int compare(T a, T b, Comparator<T> c)方法使用提供的比较器来比较两个对象:
    • 当对象相等时返回 0
    • 当第一个对象小于第二个对象时,返回负数
    • 否则返回正数 int compare(T a, T b, Comparator<T> c)方法的非零返回值取决于实现。在String的情况下,根据其排序位置定义更小和更大(在排序列表中,较小的放在较大的前面),返回值是列表中第一个和第二个参数位置之间的差值,根据提供的比较器排序:
      int res =
      Objects.compare("a", "c", Comparator.naturalOrder());
      System.out.println(res);       //prints: -2
      res = Objects.compare("a", "a", Comparator.naturalOrder());
      System.out.println(res);       //prints: 0
      res = Objects.compare("c", "a", Comparator.naturalOrder());
      System.out.println(res);       //prints: 2
      res = Objects.compare("c", "a", Comparator.reverseOrder());
      System.out.println(res);       //prints: -2
      

另一方面,当值不相等时,Integer值仅返回-11

res = Objects.compare(3, 5, Comparator.naturalOrder());
System.out.println(res);       //prints: -1
res = Objects.compare(3, 3, Comparator.naturalOrder());
System.out.println(res);       //prints: 0
res = Objects.compare(5, 3, Comparator.naturalOrder());
System.out.println(res);       //prints: 1
res = Objects.compare(5, 3, Comparator.reverseOrder());
System.out.println(res);       //prints: -1
res = Objects.compare("5", "3", Comparator.reverseOrder());
System.out.println(res);       //prints: -2

请注意,在前面代码块的最后一行中,当我们将数字作为String文本进行比较时,结果是如何变化的。

当两个对象都是null时,compare()方法认为它们相等:

res = Objects.compare(null,null,Comparator.naturalOrder());
System.out.println(res);       //prints: 0

但当只有一个对象为空时,它抛出NullPointerException

//Objects.compare(null, "c", Comparator.naturalOrder());   
//Objects.compare("a", null, Comparator.naturalOrder());   

如果需要将对象与null进行比较,最好使用org.apache.commons.lang3.ObjectUtils.compare(T o1, T o2)

  1. obj对象引用为null值时,toString(Object obj)方法很有用:
    • String toString(Object obj):非null时返回调用第一个参数toString()的结果,第一个参数值为null时返回调用null的结果
    • String toString(Object obj, String nullDefault):当第一个参数不是null时返回调用toString()的结果,当第一个参数值为null时返回调用第二个参数值nullDefault的结果 toString(Object obj)方法的使用非常简单:
      System.out.println(Objects.toString("a")); //prints: a
      System.out.println(Objects.toString(null)); //prints: null
      System.out.println(Objects.toString("a", "b")); //prints: a
      System.out.println(Objects.toString(null, "b"));//prints: b
      
  2. checkIndex()重载方法检查集合或数组的索引和长度是否兼容:
    • int checkIndex(int index, int length):如果提供的index大于length - 1则抛出IndexOutOfBoundsException,例如:
      List<Integer> list = List.of(1, 2);
      try {
      Objects.checkIndex(3, list.size());
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex){
      System.out.println(ex.getMessage()); 
      //prints: Index 3 out-of-bounds for length 2
      }
      
      List<Integer> list = List.of(1, 2);
      try {
      Objects.checkFromIndexSize(1, 3, list.size());
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex){
      System.out.println(ex.getMessage());
      //prints:Range [1, 1 + 3) out-of-bounds for length 2
      }
      
      List<Integer> list = List.of(1, 2);
      try {
      Objects.checkFromToIndex(1, 3, list.size());
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex){
      System.out.println(ex.getMessage()); 
      //prints:Range [1, 3) out-of-bounds for length 2
      }
      
  3. requireNonNull()组的五种方法检查第一个参数obj的值。如果值为null,则抛出NullPointerException或返回提供的默认值:
    • T requireNonNull(T obj):如果参数为null则抛出NullPointerException而不带消息,例如:
      String obj = null;
      try {
      Objects.requireNonNull(obj);
      } catch (NullPointerException ex){
      System.out.println(ex.getMessage());//prints: null
      }
      
      String obj = null;
      try {
      Objects.requireNonNull(obj,  
                        "Parameter 'obj' is null");
      } catch (NullPointerException ex){
      System.out.println(ex.getMessage()); 
               //prints: Parameter 'obj' is null
      }
      
      String obj = null;
      Supplier<String> supplier = () -> "Message";
      try {
      Objects.requireNonNull(obj, supplier);
      } catch (NullPointerException ex){
      System.out.println(ex.getMessage()); 
                       //prints: Message
      }
      
      String object = null;
      System.out.println(Objects
        .requireNonNullElse(obj, "Default value")); 
                        //prints: Default value
      
      Integer obj = null;
      Supplier<Integer> supplier = () -> 42;
      try {
      System.out.println(Objects
            .requireNonNullElseGet(obj, supplier));
      } catch (NullPointerException ex){
      System.out.println(ex.getMessage()); //prints: 42
      } 
      
  4. hash()hashCode()方法通常用于覆盖默认hashCode()实现:
    • int hashCode(Object value):计算单个对象的哈希值,例如:
      System.out.println(Objects.hashCode(null)); 
                                     //prints: 0
      System.out.println(Objects.hashCode("abc")); 
                                 //prints: 96354 
      
  5. int hash(Object... values):计算对象数组的哈希值,例如:
    System.out.println(Objects.hash(null));  //prints: 0
    System.out.println(Objects.hash("abc"));  
                                     //prints: 96385
    String[] arr = ;
    System.out.println(Objects.hash(arr));
                                     //prints: 96385
    Object[] objs = ;
    System.out.println(Objects.hash(objs));  
                                    //prints: 124409
    System.out.println(Objects.hash("a", 42, "c")); 
                                    //prints: 124409
    

请注意,hashCode(Object value)方法返回的散列值(96354Objects.hash(Object... values)方法(96385不同),即使它们为同一个对象计算散列值。

  1. isNull()nonNull()方法只是布尔表达式的包装:
    • boolean isNull(Object obj):返回与obj == null相同的值,例如:
      String obj = null;
      System.out.println(obj == null);     //prints: true
      System.out.println(Objects.isNull(obj));
                                   //prints: true
      obj = "";
      System.out.println(obj == null);    //prints: false
      System.out.println(Objects.isNull(obj));  
                                  //prints: false
      
      String obj = null;
      System.out.println(obj != null);    //prints: false
      System.out.println(Objects.nonNull(obj)); 
                                  //prints: false
      obj = "";
      System.out.println(obj != null);     //prints: true
      System.out.println(Objects.nonNull(obj));  
                                   //prints: true
      
  2. equals()deepEquals()方法允许我们通过状态比较两个对象:
    • boolean equals(Object a, Object b):使用equals(Object)方法比较两个对象,处理其中一个或两个对象都是null的情况,例如:
      String o1 = "o";
      String o2 = "o";
      System.out.println(Objects.equals(o1, o2));       
                                 //prints: true
      System.out.println(Objects.equals(null, null));   
                                 //prints: true
      Integer[] ints1 = ;
      Integer[] ints2 = ;
      System.out.println(Objects.equals(ints1, ints2)); 
                                //prints: false
      

在前面的示例中,Objects.equals(ints1, ints2)返回false,因为数组不能重写Object类的equals()方法,并通过引用而不是值进行比较。

String o1 = "o";
String o2 = "o";
System.out.println(Objects.deepEquals(o1, o2));    
                                   //prints: true
System.out.println(Objects.deepEquals(null, null));
                                   //prints: true
Integer[] ints1 = ;
Integer[] ints2 = ;
System.out.println(Objects.deepEquals(ints1,ints2));
                                      //prints: true
Integer[][] iints1 = ;
Integer[][] iints2 = ;
System.out.println(Objects.
         deepEquals(iints1, iints2)); //prints: true  

如您所见,deepEquals()方法在数组的对应值相等时返回true。但如果数组具有不同的值或相同值的不同顺序,则该方法返回false

Integer[][] iints1 = ;
Integer[][] iints2 = ;
System.out.println(Objects.
      deepEquals(iints1, iints2)); //prints: false

它是如何工作的。。。

Arrays.equals(Object a, Object b)Arrays.deepEquals(Object a, Object b)方法的行为方式与Objects.equals(Object a, Object b)Objects.deepEquals(Object a, Object b)方法相同:

Integer[] ints1 = ;
Integer[] ints2 = ;
System.out.println(Arrays.equals(ints1, ints2));         
                                            //prints: true
System.out.println(Arrays.deepEquals(ints1, ints2));     
                                            //prints: true
System.out.println(Arrays.equals(iints1, iints2));       
                                            //prints: false
System.out.println(Arrays.deepEquals(iints1, iints2));   
                                            //prints: true

实际上,在Objects.equals(Object a, Object b)Objects.deepEquals(Object a, Object b)方法的实现中使用了Arrays.equals(Object a, Object b)Arrays.deepEquals(Object a, Object b)方法。

总之,如果您想通过两个对象的字段值来比较两个对象ab,那么:

  • 如果不是数组且a不是null,则使用a.equals(Object b)
  • 如果它们不是数组,并且每个或两个对象都可以是null,则使用Objects.equals(Object a, Object b)
  • 如果两者都可以是数组,并且每个或两者都可以是null,则使用Objects.deepEquals(Object a, Object b) Objects.deepEquals(Object a, Object b)方法似乎是最安全的方法,但这并不意味着你必须一直使用它。大多数情况下,您将知道比较的对象可以是null还是数组,因此您也可以安全地使用其他方法。

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