在本期 函數(shù)式思維 的文章中，我將繼續(xù)研究 Gang of Four (GoF) 設(shè)計(jì)模式（參閱 參考資料）的函數(shù)式替代解決方案。在本文中，我將研究最少人了解，但卻是最強(qiáng)大的模式之一：解釋器 (Interpreter)。
解釋器的定義是：
給定一個(gè)語(yǔ)言，定義其語(yǔ)法表示，以及一個(gè)使用該表示來(lái)解釋語(yǔ)言中的句子的解釋器。
換句話說(shuō)，如果您正在使用的語(yǔ)言不適用于解決問(wèn)題，那么用它來(lái)構(gòu)建一個(gè)適用的語(yǔ)言。關(guān)于該方法的一個(gè)很好的示例出現(xiàn)在 Web 框架中，如 Grails 和 Ruby on Rails（參閱 參考資料），它們擴(kuò)展了自己的基礎(chǔ)語(yǔ)言（分別是 Groovy 和 Ruby），使編寫(xiě) Web 應(yīng)用程序變得更容易。
這種模式最少人了解，因?yàn)闃?gòu)建一種新的語(yǔ)言并不常見(jiàn)，需要專業(yè)的技能和慣用語(yǔ)法。它是最強(qiáng)大的 設(shè)計(jì)模式，因?yàn)樗膭?lì)您針對(duì)正在解決的問(wèn)題擴(kuò)展自己的編程語(yǔ)言。這在 Lisp（因此 Clojure 也同樣）世界是一個(gè)普遍的特質(zhì)，但在主流語(yǔ)言中不太常見(jiàn)。
當(dāng)使用禁止對(duì)語(yǔ)言本身進(jìn)行擴(kuò)展的語(yǔ)言（如 Java）時(shí)，開(kāi)發(fā)人員往往將自己的思維塑造成該語(yǔ)言的語(yǔ)法；這是您的惟一選擇。然而，當(dāng)您漸漸習(xí)慣使用允許輕松擴(kuò)展的語(yǔ)言時(shí)，您就會(huì)開(kāi)始將語(yǔ)言折向解決問(wèn)題的方向，而不是其他折衷的方式。
Java 缺乏直觀的語(yǔ)言擴(kuò)展機(jī)制，除非您求助于面向方面的編程。然而，下一代的 JVM 語(yǔ)言（Groovy、Scala 和 Clojure）（參閱 參考資料）均支持以多種方式進(jìn)行擴(kuò)展。通過(guò)這樣做，它們可以達(dá)到解釋器設(shè)計(jì)模式的目的。首先，我將展示如何使用這三種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)操作符重載，然后演示 Groovy 和 Scala 如何讓您擴(kuò)展現(xiàn)有的類。
操作符重載（operator overloading）
操作符重載 是函數(shù)式語(yǔ)言的一個(gè)常見(jiàn)特性，能夠重定義操作符（如 +、- 或 *）配合新的類型工作，并表現(xiàn)出新的行為。操作符重載的缺失是 Java 形成時(shí)期的一個(gè)有意識(shí)的決定，但現(xiàn)在幾乎每一個(gè)現(xiàn)代語(yǔ)言都具備這個(gè)特性，包括在 JVM 上 Java 的天然接班人。
Groovy
Groovy 嘗試更新 Java 的語(yǔ)法，使其跟上潮流，同時(shí)保留其自然語(yǔ)義。因此，Groovy 通過(guò)將操作符自動(dòng)映射到方法名稱實(shí)現(xiàn)操作符重載。例如，如果您想重載 Integer 的 + 操作符，那么您要重寫(xiě) Integer 類的 plus() 方法。完整的映射列表已在線提供（參閱 參考資料）；表 1 顯示了列表的一部分：
表 1. Groovy 的操作符/方法映射列表的一部分 | 操作符 | 方法 |
|---|
x + y | x.plus(y) |
x * y | x.multiply(y) |
x / y | x.div(y) |
x ** y | x.power(y) |
作為一個(gè)操作符重載的示例，我將在 Groovy 和 Scala 中都創(chuàng)建一個(gè) ComplexNumber 類。復(fù)數(shù) 是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，由一個(gè)實(shí)數(shù) 和虛數(shù) 部分組成，一般寫(xiě)法是，例如 3 + 4i。復(fù)數(shù)在許多科學(xué)領(lǐng)域中都很常用，包括工程學(xué)、物理學(xué)、電磁學(xué)和混沌理論。開(kāi)發(fā)人員在編寫(xiě)這些領(lǐng)域的應(yīng)用程序時(shí)，大大受益于能夠創(chuàng)建反映其問(wèn)題域的操作符。（有關(guān)復(fù)數(shù)的更多信息，請(qǐng)參閱 參考資料。）
清單 1 中顯示了一個(gè) Groovy ComplexNumber 類：
清單 1. Groovy 中的 ComplexNumber package complexnums class ComplexNumber { def real, imaginary public ComplexNumber(real, imaginary) { this.real = real this.imaginary = imaginary } def plus(rhs) { new ComplexNumber(this.real + rhs.real, this.imaginary + rhs.imaginary) } def multiply(rhs) { new ComplexNumber( real * rhs.real - imaginary * rhs.imaginary, real * rhs.imaginary + imaginary * rhs.real) } String toString() { real.toString() + ((imaginary < 0 ? "" : "+") + imaginary + "i").toString() } } |
在 清單 1 中，我創(chuàng)建一個(gè)類，保存實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分，并且我創(chuàng)建重載的 plus() 和 multiply() 操作符。兩個(gè)復(fù)數(shù)的相加是非常直觀的：plus() 操作符將兩個(gè)數(shù)各自的實(shí)數(shù)和虛數(shù)分別進(jìn)行相加，并產(chǎn)生結(jié)果。兩個(gè)復(fù)數(shù)的相乘需要以下公式：
(x + yi)(u + vi) = (xu - yv) + (xv + yu)i |
在 清單 1 中的 multiply() 操作符復(fù)制該公式。它將兩個(gè)數(shù)字的實(shí)數(shù)部分相乘，然后減去虛數(shù)部分相乘的積，再加上實(shí)數(shù)和虛數(shù)分別彼此相乘的積。
清單 2 測(cè)試復(fù)數(shù)運(yùn)算符：
清單 2. 測(cè)試復(fù)數(shù)運(yùn)算符 package complexnums import org.junit.Test import static org.junit.Assert.assertTrue import org.junit.Before class ComplexNumberTest { def x, y @Before void setup() { x = new ComplexNumber(3, 2) y = new ComplexNumber(1, 4) } @Test void plus_test() { def z = x + y; assertTrue 3 + 1 == z.real assertTrue 2 + 4 == z.imaginary } @Test void multiply_test() { def z = x * y assertTrue(-5 == z.real) assertTrue 14 == z.imaginary } } |
在 清單 2 中，plus_test() 和 multiply_test() 方法對(duì)重載操作符的使用（兩者都以該領(lǐng)域?qū)＜沂褂玫南嗤?hào)代表）與類似的內(nèi)置類型用法沒(méi)什么區(qū)別。
Scala（和 Clojure）
Scala 通過(guò)放棄操作符和方法之間的區(qū)別來(lái)實(shí)現(xiàn)操作符重載：操作符僅僅是具有特殊名稱的方法。因此，要使用 Scala 重寫(xiě)乘法運(yùn)算，您要重寫(xiě) * 方法。在清單 3 中，我用 Scala 創(chuàng)建復(fù)數(shù)。
清單 3. Scala 中的復(fù)數(shù) class ComplexNumber(val real:Int, val imaginary:Int) { def +(operand:ComplexNumber):ComplexNumber = { new ComplexNumber(real + operand.real, imaginary + operand.imaginary) } def *(operand:ComplexNumber):ComplexNumber = { new ComplexNumber(real * operand.real - imaginary * operand.imaginary, real * operand.imaginary + imaginary * operand.real) } override def toString() = { real + (if (imaginary < 0) "" else "+") + imaginary + "i" } } |
清單 3 中的類包括熟悉的 real 和 imaginary 成員，以及 + 和 * 操作符/方法。如清單 4 所示，我可以自然地使用 ComplexNumber ：
清單 4. 在 Scala 中使用復(fù)數(shù) val c1 = new ComplexNumber(3, 2) val c2 = new ComplexNumber(1, 4) val c3 = c1 + c2 assert(c3.real == 4) assert(c3.imaginary == 6) val res = c1 + c2 * c3 printf("(%s) + (%s) * (%s) = %s\n", c1, c2, c3, res) assert(res.real == -17) assert(res.imaginary == 24) |
通過(guò)統(tǒng)一操作符和方法，Scala 使操作符重載變成一件小事。Clojure 使用相同的機(jī)制來(lái)重載操作符。例如，以下 Clojure 代碼定義了一個(gè)重載的 ** 操作符：
(defn ** [x y] (Math/pow x y)) |
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擴(kuò)展類
類似于操作符重載，下一代的 JVM 語(yǔ)言允許您擴(kuò)展類（包括核心 Java 類），擴(kuò)展的方式在 Java 語(yǔ)言本身是不可能實(shí)現(xiàn)的。這些設(shè)施通常用于構(gòu)建領(lǐng)域特定的語(yǔ)言 (DSL)。雖然 GOF 從來(lái)沒(méi)有考慮過(guò) DSL（因?yàn)樗鼈兣c當(dāng)時(shí)流行的語(yǔ)言沒(méi)有共同點(diǎn)），DSL 卻體現(xiàn)了解釋器設(shè)計(jì)模式的初衷。
通過(guò)將計(jì)量單位和其他修飾符添加給 Integer 等核心類，您可以（就像添加操作符一樣）更緊密地對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行建模。Groovy 和 Scala 都支持這樣做，但它們使用不同的機(jī)制。
Groovy 的 Expando 和類別類
Groovy 包括兩種對(duì)現(xiàn)有類添加方法的機(jī)制：ExpandoMetaClass 和類別。（在 函數(shù)式思維：函數(shù)設(shè)計(jì)模式，第 2 部分 中，我在適配器模式的上下文中詳細(xì)介紹過(guò) ExpandoMetaClass。）
比方說(shuō)，您的公司由于離奇的遺留原因，需要以浪（furlongs，英國(guó)的計(jì)量單位）／每?jī)芍芏皇且杂⒗铮啃r(shí) (MPH) 的方法來(lái)表達(dá)速度，開(kāi)發(fā)人員發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常要執(zhí)行這種轉(zhuǎn)換。使用 Groovy 的 ExpandoMetaClass，您可以添加一個(gè) FF 屬性給處理轉(zhuǎn)換的 Integer ，如清單 5 所示：
清單 5. 使用 ExpandoMetaClass 添加一個(gè)浪/兩周的計(jì)量單位給 Integer static { Integer.metaClass.getFF { -> delegate * 2688 } } @Test void test_conversion_with_expando() { assertTrue 1.FF == 2688 } |
ExpandoMetaClass 的替代方法是，創(chuàng)建一個(gè)類別 包裝器類，這是從 Objective-C 借來(lái)的概念。在清單 6 中，我添加了一個(gè)（小寫(xiě)） ff 屬性給 Integer：
清單 6. 通過(guò)一個(gè)類別類添加計(jì)量單位 class FFCategory { static Integer getFf(Integer self) { self * 2688 } } @Test void test_conversion_with_category() { use(FFCategory) { assertTrue 1.ff == 2688 } } |
一個(gè)類別類是一個(gè)帶有一組靜態(tài)方法集合的普通類。每個(gè)方法接受至少一個(gè)參數(shù)；第一個(gè)參數(shù)是這種方法增強(qiáng)的類型。例如，在 清單 6 中， FFCategory 類擁有一個(gè) getFf() 方法，它接受一個(gè) Integer 參數(shù)。當(dāng)這個(gè)類別類與 use 關(guān)鍵字一起使用時(shí)，代碼塊內(nèi)所有相應(yīng)類型都被增強(qiáng)。在單元測(cè)試中，我可以在代碼塊內(nèi)引用 ff 屬性（記住，Groovy 自動(dòng)將 get 方法轉(zhuǎn)換為屬性引用），如在 清單 6 的底部所示。
有兩種機(jī)制可供選擇，讓您可以更準(zhǔn)確地控制增強(qiáng)的范圍。例如，如果整個(gè)系統(tǒng)使用 MPH 作為速度的默認(rèn)單位，但也需要頻繁轉(zhuǎn)換為浪／每?jī)芍埽敲词褂? ExpandoMetaClass 進(jìn)行全局修改將是適當(dāng)?shù)摹?
您可能對(duì)重新開(kāi)放核心 JVM 類的有效性持懷疑態(tài)度，擔(dān)心會(huì)產(chǎn)生廣泛深遠(yuǎn)的影響。類別類讓您限制潛在危險(xiǎn)性增強(qiáng)的范圍。以下是一個(gè)來(lái)自真實(shí)世界的開(kāi)源項(xiàng)目示例，它極好地利用了這一機(jī)制。
easyb 項(xiàng)目（參閱 參考資料）讓您可以編寫(xiě)測(cè)試，以驗(yàn)證正接受測(cè)試的類的各個(gè)方面。請(qǐng)研究清單 7 所示的 easyb 測(cè)試代碼片段：
清單 7. easyb 測(cè)試一個(gè) queue 類 it "should dequeue items in same order enqueued", { [1..5].each {val -> queue.enqueue(val) } [1..5].each {val -> queue.dequeue().shouldBe(val) } } |
queue 類不包括 shouldBe() 方法，這是我在測(cè)試的驗(yàn)證階段所調(diào)用的方法。easyb 框架已為我添加了該方法；清單 8 中所顯示的在 easyb 源代碼中的 it() 方法定義，演示了該過(guò)程：
清單 8. easyb 的 it() 方法定義 def it(spec, closure) { stepStack.startStep(BehaviorStepType.IT, spec) closure.delegate = new EnsuringDelegate() try { if (beforeIt != null) { beforeIt() } listener.gotResult(new Result(Result.SUCCEEDED)) use(categories) { closure() } if (afterIt != null) { afterIt() } } catch (Throwable ex) { listener.gotResult(new Result(ex)) } finally { stepStack.stopStep() } } class BehaviorCategory { // ... static void shouldBe(Object self, value) { shouldBe(self, value, null) } //... } |
在 清單 8中，it() 方法接受了一個(gè) spec （描述測(cè)試的一個(gè)字符串）和一個(gè)代表測(cè)試的主體的閉包塊。在方法的中間，閉包會(huì)在 BehaviorCategory 塊內(nèi)執(zhí)行，該塊出現(xiàn)在清單的底部。BehaviorCategory 增強(qiáng) Object，允許 Java 世界中的任何 實(shí)例驗(yàn)證其值。
通過(guò)允許選擇性增強(qiáng)駐留在層次結(jié)構(gòu)頂層的 Object，Groovy 的開(kāi)放類機(jī)制可以輕松地實(shí)現(xiàn)為任何實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果，但它限制了對(duì) use 塊主體的修改。
Scala 的隱式轉(zhuǎn)換
Scala 使用隱式轉(zhuǎn)換 來(lái)模擬現(xiàn)有類的增強(qiáng)。隱式轉(zhuǎn)換不會(huì)對(duì)類添加方法，但允許語(yǔ)言自動(dòng)將一個(gè)對(duì)象轉(zhuǎn)換成擁有所需方法的相應(yīng)類型。例如，我不能將 isBlank() 方法添加到 String 類中，但我可以創(chuàng)建一個(gè)隱式轉(zhuǎn)換，將 String 自動(dòng)轉(zhuǎn)換為擁有這種方法的類。
作為一個(gè)示例，我想將 append() 方法添加到 Array，這讓我可以輕松地將 Person 實(shí)例添加到適當(dāng)類型的數(shù)組，如清單 9 所示：
清單 9.將一個(gè)方法添加到 Array 中，以增加人員 case class Person (firstName: String, lastName: String) {} class PersonWrapper(a: Array[Person]) { def append(other: Person) = { a ++ Array(other) } def +(other: Person) = { a ++ Array(other) } } implicit def listWrapper(a: Array[Person]) = new PersonWrapper(a) |
在 清單 9中，我創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的 Person 類，它帶有若干個(gè)屬性。為了使 Array[Person]（在 Scala 中，一般使用 [ ] 而不是 < > 作為分隔符）Person 可知，我創(chuàng)建一個(gè) PersonWrapper 類，它包括所需的 append() 方法。在清單的底部，我創(chuàng)建一個(gè)隱式轉(zhuǎn)換，當(dāng)我在數(shù)組上調(diào)用 append() 方法時(shí)，隱式轉(zhuǎn)換會(huì)自動(dòng)將一個(gè) Array[Person] 轉(zhuǎn)換為 PersonWrapper。清單 10 測(cè)試該轉(zhuǎn)換：
清單 10. 測(cè)試對(duì)現(xiàn)有類的自然擴(kuò)展 val p1 = new Person("John", "Doe") var people = Array[Person]() people = people.append(p1) |
在 清單 9中，我也為 PersonWrapper 類添加了一個(gè) + 方法。清單 11 顯示了我如何使用操作符的這個(gè)漂亮直觀的版本：
清單 11. 修改語(yǔ)言以增強(qiáng)可讀性 people = people + new Person("Fred", "Smith") for (p <- people) printf("%s, %s\n", p.lastName, p.firstName) |
Scala 實(shí)際上并未對(duì)原始的類添加一個(gè)方法，但它通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成一個(gè)合適的類型，提供了這樣做的外觀。使用 Groovy 等語(yǔ)言進(jìn)行元編程所需要的相同工作在 Scala 中也需要，以避免過(guò)多使用隱式轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生由相互關(guān)聯(lián)的類所組成的令人費(fèi)解的網(wǎng)。但是，在正確使用時(shí)，隱式轉(zhuǎn)換可以幫助您編寫(xiě)表達(dá)非常清晰的代碼。
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結(jié)束語(yǔ)
來(lái)自 GoF 的原始解釋器設(shè)計(jì)模式建議創(chuàng)建一個(gè)新語(yǔ)言，但其基礎(chǔ)語(yǔ)言并不支持我們今天所掌握的良好擴(kuò)展機(jī)制。下一代 Java 語(yǔ)言都通過(guò)使用多種技術(shù)來(lái)支持語(yǔ)言級(jí)別的可擴(kuò)展性。在本期文章中，我演示了操作符重載如何在 Groovy、Scala 和 Clojure 中工作，并研究了在 Groovy 和 Scala 中的類擴(kuò)展。
在下期文章中，我將展示 Scala 風(fēng)格的模式匹配和泛型的組合如何取代一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式。該討論的中心是一個(gè)在函數(shù)式錯(cuò)誤處理中也起著作用的概念，這一概念將是我們下期文章的主題。
參考資料
學(xué)習(xí)
獲得產(chǎn)品和技術(shù)
討論
關(guān)于作者
Neal Ford 是一家全球性 IT 咨詢公司 ThoughtWorks 的軟件架構(gòu)師和 Meme Wrangler。他的工作還包括設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序、教材、雜志文章、課件和視頻/DVD 演示，而且他是各種技術(shù)書(shū)籍的作者或編輯，包括最近的新書(shū) The Productive Programmer 。他主要的工作重心是設(shè)計(jì)和構(gòu)建大型企業(yè)應(yīng)用程序。他還是全球開(kāi)發(fā)人員會(huì)議上的國(guó)際知名演說(shuō)家。請(qǐng)?jiān)L問(wèn)他的 Web 站點(diǎn)。
http://www.ibm.com/developerworks/cn/views/java/libraryview.jsp?view_by=search&sort_by=Date&sort_order=desc&view_by=Search&search_by=%E5%87%BD%E6%95%B0%E5%BC%8F%E6%80%9D%E7%BB%B4&dwsearch.x=18&dwsearch.y=11