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在 Java 中应用骨架实现

2021-01-13 20:57 543 查看

程序中有重复代码？骨架实现（Skeletal Implementation）通过接口与抽象类配合，让你摆脱重复，留下程序中有用的代码。

骨架实现是一种设计，我们可以同时享受接口和抽象类的好处。

Java Collection API 已经采用了这种设计：AbstractSet、 AbstractMap 等都是骨架实现案例。Joshua Bloch 的"Effective Java"书中也提到了骨架接口。

本文我们将探讨如何高效设计系统，使其能够同时利用接口和抽象类的特性。

让我们试着通过一个实际问题来理解。

假设我们想创建不同类型的自动售货机。从自动售货机购买产品，需要启动售货机、选择产品、付款、然后取货。

取货完成之后，自动售货机应该停止操作。

1. 方法一

我们可以为不同的产品类型创建一个自动售货机接口。为了让接口工作，我们还要为自动售货机提供具体实现。

1.1 代码

Ivending.java

```java
package com.example.skeletal;
public interface Ivending {
    void start();
    void chooseProduct();
    void stop();
    void process();
}
```

CandyVending.java

```java
package com.example.skeletal;
public class CandyVending implements Ivending {
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("Start Vending machine");
    }

    @Override
    public void chooseProduct() {
        System.out.println("Produce different candies");
        System.out.println("Choose a type of candy");
        System.out.println("Pay for candy");
        System.out.println("Collect candy");
    }
    
    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("Stop Vending machine");
    }

    @Override
    public void process() {
        start();
        chooseProduct();
        stop();
    }
}
```

DrinkVending.java

```java
package com.example.skeletal;
public class DrinkVending implements Ivending {
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("Start Vending machine");
    }

    @Override
    public void chooseProduct() {
        System.out.println("Produce diiferent soft drinks");
        System.out.println("Choose a type of soft drinks");
        System.out.println("pay for drinks");
        System.out.println("collect drinks");
    }

    @Override
    public void stop() {
        System.out.println("stop Vending machine");
    }

    @Override
    public void process() {
        start();
        chooseProduct();
        stop();
    }
}
```

VendingManager.java

```java
package com.example.skeletal;
public class VendingManager {
    public static void main(String[] args) {
        Ivending candy = new CandyVending();
        Ivending drink = new DrinkVending();
        candy.process();
        drink.process();
    }
}
```

输出结果：

```shell
Start Vending machine
Produce different candies
Choose a type of candy
Pay for candy
Collect candy
Stop Vending machine
*********************
Start Vending machine
Produce diiferent soft drinks
Choose a type of soft drinks
Pay for drinks
Collect drinks
Stop Vending machine
```

简单起见，我没有将每个步骤定义一个单独方法，在 `chooseProduct()` 中合并了这些步骤。

虽然看起来很好，但是上面的代码”有一些问题“。如果我们仔细检查一下，就会发现其中有很多重复代码。 `start()`、 `stop()` 和 `process()` 方法在每个实现类中做了相同的事情。

当新增具体实现时，系统的代码会复制三次。

这时我们可以新建工具类，将公共代码放到工具类里。然而这么做会破坏”单一责任原则“，产生 Shotgun surgery 问题代码。

译注：[Shotgun surgery][1] 是软件开发中的一种反模式，它发生在开发人员向应用程序代码库添加特性的地方，这些代码库会在一次更改中跨越多个实现。

[1]:https://en.wikipedia.org/wiki/Shotgun_surgery

1.2 接口的缺点

由于接口是一种约定且不包含方法体，因此每个实现都必须按照约定实现接口中的所有方法。在具体的实现中一些方法可能会重复。

2. 方法二

通过抽象类弥补接口的不足。

2.1 代码

AbstractVending.java

```java
package com.example.skeletal;
public abstract class AbstractVending {
    public void start()
    {
        System.out.println("Start Vending machine");
    }

    public abstract void chooseProduct();
    
    public void stop()
    {
        System.out.println("Stop Vending machine");
    }
    
    public void process()
    {
        start();
        chooseProduct();
        stop();
    }
}
```

CandyVending.java

```java
package com.example.skeletal;
public class CandyVending extends AbstractVending { 
    @Override
    public void chooseProduct() {
        System.out.println("Produce diiferent candies");
        System.out.println("Choose a type of candy");
        System.out.println("Pay for candy");
        System.out.println("Collect candy");
    }
}
```

DrinkVending.java

```java
package com.example.skeletal;
public class DrinkVending extends AbstractVending { 
    @Override
    public void chooseProduct() {
        System.out.println("Produce diiferent soft drinks");
        System.out.println("Choose a type of soft drinks");
        System.out.println("Pay for drinks");
        System.out.println("Collect drinks");
    }
}
```

VendingManager.java

```java
package com.example.skeletal;
public class VendingManager {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractVending candy =  new CandyVending();
        AbstractVending drink =  new DrinkVending();
        candy.process();
        System.out.println("*********************");
        drink.process();
    }
}
```

这里我为抽象类提供了通用的代码，`CandyVending` 和 `DrinkVending` 都继承了 `AbstractVending`。这么做虽然消除了重复代码，但引入了一个新问题。

`CandyVending` 和 `DrinkVending` 继承了 `AbstractVending`，由于 Java 不支持多重集成因此不能继承其他类。

假如要添加一个 `VendingServicing` 类，负责清洁和检查自动售货机。在这种情况下，由于已经继承了 `AbstractVending`，因此不能继承 `VendingServicing`。这里可以新建组合（composition），但是必须把 `VendingMachine` 传入该组合，这会让 `VendingServicing` 和 `VendingMachine` 产生强耦合。

2.2 抽象类的缺点

由于菱形继承问题，Java 不支持多重继承。假如我们能够同时利用接口和抽象类的优点就太好了。

还是有办法的。

译注：菱形继承问题。两个子类继承同一个父类，而又有子类又分别继承这两个子类，产生二义性问题。

3. 抽象接口或骨架实现

要完成骨架实现：

创建接口。
创建抽象类来实现该接口，并实现公共方法。
在子类中创建一个私有内部类，继承抽象类。现在把外部调用委托给抽象类，该类可以在使用通用方法同时继承和实现任何接口。

3.1 代码

Ivending.java

```java
package com.example.skeletal;
public interface Ivending {
    void start();
    void chooseProduct();
    void stop();
    void process();
}
```

VendingService.java

```java
package com.example.skeletal;
public class VendingService {
    public void service()
    {
        System.out.println("Clean the vending machine");
    }
}
```

AbstractVending.java

```java
package com.example.skeletal;
public abstract class AbstractVending implements Ivending {
    public void start()
    {
        System.out.println("Start Vending machine");
    }
    public void stop()
    {
        System.out.println("Stop Vending machine");
    }
    public void process()
    {
        start();
        chooseProduct();
        stop();
    }
}
```

CandyVending.java

```java
package com.example.skeletal;
public class CandyVending  implements Ivending { 
    private class AbstractVendingDelegator extends AbstractVending
    {
        @Override
        public void chooseProduct() {
            System.out.println("Produce diiferent candies");
            System.out.println("Choose a type of candy");
            System.out.println("Pay for candy");
            System.out.println("Collect candy");
        }
    }

    AbstractVendingDelegator delegator = new AbstractVendingDelegator();

    @Override
    public void start() {
        delegator.start();
    }
    @Override
    public void chooseProduct() {
        delegator.chooseProduct();
    }
    @Override
    public void stop() {
        delegator.stop();
    }
    @Override
    public void process() {
        delegator.process();
    }
}
```

DrinkVending.java

```java
package com.example.skeletal;
public class DrinkVending extends VendingService  implements Ivending { 
    private class AbstractVendingDelegator extends AbstractVending
    {
        @Override
        public void chooseProduct() {
            System.out.println("Produce diiferent soft drinks");
            System.out.println("Choose a type of soft drinks");
            System.out.println("pay for drinks");
            System.out.println("collect drinks");
        }
    }
    AbstractVendingDelegator delegator = new AbstractVendingDelegator();
    @Override
    public void start() {
        delegator.start();
    }
    @Override
    public void chooseProduct() {
        delegator.chooseProduct();
    }
    @Override
    public void stop() {
        delegator.stop();
    }
    @Override
    public void process() {
        delegator.process();
    }
}
```

VendingManager.java

```java
package com.example.skeletal;
public class VendingManager {
    public static void main(String[] args) {
        Ivending candy = new CandyVending();
        Ivending drink = new DrinkVending();
        candy.process();
        System.out.println("*********************");
        drink.process();
        if(drink instanceof VendingService)
        {
            VendingService vs = (VendingService)drink;
            vs.service();
        }
    }
}
```

```shell
Start Vending machine
Produce diiferent candies
Choose a type of candy
Pay for candy
Collect candy
Stop Vending machine
*********************
Start Vending machine
Produce diiferent soft drinks
Choose a type of soft drinks
Pay for drinks
Collect drinks
Stop Vending machine
Clean the vending machine
```

上面的设计中，首先创建了一个接口，然后创建了一个抽象类，在这个类中定义了所有通用的实现。然后，为每个子类实现一个 delegator 类。通过 delegator 将调用转给 `AbstractVending`。

3.2 骨架实现的好处

子类可继承其他类，比如 `DrinkVending`。
通过将调用委托给抽象类消除重复代码。
子类可根据需要实现其他的接口。

4. 总结

当接口有公用方法时可以创建抽象类，使用子类作为委派器，建议使用骨架实现。

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