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Java下一代:Groovy、Scala和Clojure共性,第1部分

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Java下一代語(yǔ)言(Groovy、Scala 和 Clojure)的共同點(diǎn)多于不同點(diǎn),主要集中于很多功能和方便性上的共同點(diǎn)。本期文章探究它們各自如何克服 Java™ 語(yǔ)言中長(zhǎng)期存在的一個(gè)缺點(diǎn) — 無法重載操作符。還要討論關(guān)聯(lián)性和優(yōu)先級(jí)等相關(guān)概念。

編程語(yǔ)言中的好理念可以延續(xù)并擴(kuò)展到其他語(yǔ)言,就像美酒一樣歷久彌香。因此,不足奇怪的是,Java 下一代語(yǔ)言 — Groovy、Scala 和 Clojure — 具有很多共同的特性。在本期和下一期 Java 下一代文章中,我將探討每種語(yǔ)言語(yǔ)法中功能清單的一致性。我從能夠重載操作符這個(gè)特性說起 — 克服了Java 語(yǔ)言中長(zhǎng)期存在的一個(gè)缺點(diǎn)。

操作符重載

如果您改造過 Java BigDecimal 類,可能看到過類似于清單 1 的代碼:

清單1.Java代碼中的LacklusterBigDecimal支持

  1. BigDecimal op1 = new BigDecimal(1e12); 
  2. BigDecimal op2 = new BigDecimal(2.2e9); 
  3. // (op1 + (op2 * 2)) / (op1/(op1 + (op2 * 1.5e2)) 
  4. BigDecimal lhs = op1.add(op2.multiply(BigDecimal.valueOf(2))); 
  5. BigDecimal rhs = op1.divide( 
  6.         op1.add(op2.multiply(BigDecimal.valueOf(1.5e2))), 
  7.             RoundingMode.HALF_UP); 
  8. BigDecimal result = lhs.divide(rhs); 
  9. System.out.println(String.format("%,.2f", result)); 

在 清單 1 中,我試圖實(shí)現(xiàn)注釋中的這個(gè)公式。在 Java 編程中,因無法重載數(shù)學(xué)操作符,使得我只能求助于方法調(diào)用。靜態(tài)導(dǎo)入可以解決問題,但是對(duì)于所選擇的上下文,顯然需要適當(dāng)?shù)牟僮鞣剌d。最初的 Java 工程師故意從語(yǔ)言上忽略操作符重載,不過這感覺增加了太大的復(fù)雜性。但是經(jīng)驗(yàn)表明,因缺乏這一特性而強(qiáng)加給開發(fā)人員的復(fù)雜性更甚于潛在的濫用機(jī)會(huì)。

用稍微各不相同的方式,所有三種 Java 下一代語(yǔ)言都實(shí)現(xiàn)了操作符重載。

Scala的操作符

Scala 通過放棄操作符與方法之間的區(qū)別而允許操作符重載。操作符只不過是具有特殊名稱的方法。例如,要重寫乘法操作符,可以重寫 * 方法。[* 是一個(gè)有效的方法名稱,這就是 Scala 使用下劃線 (_) 符號(hào)而不是 Java 星號(hào) (*) 符號(hào)來代表導(dǎo)入的原因之一。]

我使用復(fù)數(shù)來說明重載。復(fù)數(shù)是一種數(shù)學(xué)表示,包括實(shí)部和虛部,例如通常寫作 3 + 4i 這樣的形式。復(fù)數(shù)在很多科學(xué)領(lǐng)域都很常見,包括工程學(xué)、物理學(xué)、電磁學(xué)以及其他理論。清單 2 顯示了復(fù)數(shù)的 Scala 實(shí)現(xiàn):

清單2.Scala復(fù)數(shù)

 
  1. final class Complex(val real:Int, val imaginary:Int) { 
  2.   require (real != 0 || imaginary != 0
  3.  
  4.   def +(operand:Complex) = 
  5.       new Complex(real + operand.real, imaginary + operand.imaginary) 
  6.  
  7.   def +(operand:Int) = 
  8.     new Complex(real + operand, imaginary) 
  9.  
  10.   def -(operand:Complex) = 
  11.     new Complex(real - operand.real, imaginary - operand.imaginary) 
  12.  
  13.   def -(operand:Int) = 
  14.     new Complex(real - operand, imaginary) 
  15.  
  16.   def *(operand:Complex) = 
  17.       new Complex(real * operand.real - imaginary * operand.imaginary, 
  18.           real * operand.imaginary + imaginary * operand.real) 
  19.  
  20.   override def toString() = 
  21.       real + (if (imaginary < 0"" else "+") + imaginary + "i" 
  22.  
  23.   override def equals(that:Any) = that match { 
  24.     case other :Complex => (real == other.real) && (imaginary == other.imaginary) 
  25.     case _ => false 
  26.   } 
  27.  
  28.   override def hashCode():Int = 
  29.     41 * ((41 + real) + imaginary) 

equals() 和 match 關(guān)鍵字

清單 2 中另一個(gè)有趣的特性是在 equals() 方法中使用了模式匹配。盡管 Scala 中支持強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換,但是類型匹配更為常見。that 參數(shù)被聲明為 Any — Scala 繼承層次的頂層。該方法的主體由 match 調(diào)用組成,在傳遞的類型匹配時(shí),該調(diào)用檢查實(shí)部和虛部的值,否則默認(rèn)為 false

Scala 通過折疊不必要的腳手架代碼,大大降低了 Java 語(yǔ)言的啰嗦程度。例如,在 清單 2 中,類中的構(gòu)造函數(shù)參數(shù)和字段與類定義一起出現(xiàn)。在本例中,類的主體充當(dāng)構(gòu)造函數(shù),所以對(duì) require() 方法的調(diào)用在第一次實(shí)例化操作過程中驗(yàn)證值的存在。因?yàn)?Scala 自動(dòng)提供字段,所以類的其余部分包含方法定義。對(duì)于 +、-* 操作符,我都聲明了接受 Complex 數(shù)作為參數(shù)的同名方法。復(fù)數(shù)的乘法不及加法和減法那么直觀。清單 2 中已重載的 * 方法實(shí)現(xiàn)公式:

(x + yi)(u + vi) = (xu - yv) + (xv + yu)i		

清單 2 中的 toString() 方法例示了 Java 下一代語(yǔ)言之間的另外一個(gè)共同點(diǎn):使用表達(dá)式而不是語(yǔ)句。在 toString() 方法中,虛部為正時(shí)我必須提供加號(hào) (+),否則,虛部的隱式減號(hào)就足夠了。在 Scala 中,if 是一個(gè)表達(dá)式,而不是語(yǔ)句,不再需要 Java 三元操作符 (?:)。

實(shí)際上,增加的 +-* 方法都跟標(biāo)準(zhǔn)的操作符沒什么區(qū)別,如清單 3 中的單元測(cè)試所示:

清單3.練習(xí)Scala復(fù)數(shù)

  1. class ComplexTest extends FunSuite { 
  2.   test("addition") { 
  3.     val c1 = new Complex(13
  4.     val c2 = new Complex(45
  5.     assert(c1 + c2 === new Complex(1+43+5)) 
  6.   } 
  7.  
  8.   test("subtraction") { 
  9.     val c1 = new Complex(13
  10.     val c2 = new Complex(45
  11.     assert(c1 - c2 === new Complex(1-43-5)) 
  12.   } 
  13.  
  14.   test("multiplication") { 
  15.     val c1 = new Complex(13
  16.     val c2 = new Complex(45
  17.     assert(c1 * c2 === new Complex( 
  18.         c1.real * c2.real - c1.imaginary * c2.imaginary, 
  19.         c1.real * c2.imaginary + c1.imaginary * c2.real)) 
  20.   } 
  21. }   

清單3中的測(cè)試失敗,揭示了一個(gè)有趣的不一致性。后面討論關(guān)聯(lián)性 時(shí),我指出并解決了這個(gè)問題。但是,現(xiàn)在簡(jiǎn)單介紹一下 Groovy 和 Clojure 中的重載。

#p#

Groovy的映射

通過提供您可以重寫的映射方法,Groovy 重載任何 Java 操作符。(例如,要重寫 + 操作符,您可在 Integer 類重寫 plus() 方法。)在 “函數(shù)設(shè)計(jì)模式,第 3 部分”,即我函數(shù)式思維系列(探討函數(shù)語(yǔ)言中的可擴(kuò)展性)中的一期文章,我用同一個(gè)復(fù)數(shù)例子詳細(xì)介紹了 Groovy 的操作符重載。

在 Groovy 中,您無法創(chuàng)建新的操作符(盡管可以創(chuàng)建新方法)。一些框架(比如 Spock 測(cè)試框架;參見參考資料)重載難以理解卻實(shí)際存在的操作符,比如 >>>。Scala 和 Clojure 都更加一致地對(duì)待操作符和方法,盡管方式有所不同。

Groovy 也引入了幾個(gè)方便的新操作符,比如 ?.Elvis 操作符 (?:),—前者是安全導(dǎo)航 操作符,它確保所有調(diào)用者都不為空,后者是 Java 三元操作符的簡(jiǎn)寫形式,對(duì)于輕松提供默認(rèn)值非常有用。Groovy 對(duì)新操作符沒有擴(kuò)展方法,防止了開發(fā)人員重載它們。至于開發(fā)人員為什么想要重載它們,原因不是很清楚:操作符重載的一個(gè)基本原因在于,以前的操作符使用經(jīng)驗(yàn)可以增加代碼的可讀性。您不可能在 Groovy 外面培養(yǎng)這些操作符的使用經(jīng)驗(yàn)。如果您為方便性使用操作符時(shí)破壞了代碼可讀性,那么操作符重載將變成危險(xiǎn)的事情。

Clojure的操作符

跟 Scala 中一樣,Clojure 中的操作符也只是帶有符號(hào)名稱的方法。因此,比如說您可以隨便為自己的定制類型創(chuàng)建一個(gè) + 方法。然而,要在 Clojure 中正確重寫操作符,您必須理解協(xié)議 和一種用于從公共內(nèi)核生成一組方法的技術(shù)。我將在下一期文章中討論這一內(nèi)容。

關(guān)聯(lián)性

操作符關(guān)聯(lián)性 是指操作符是等式左側(cè)還是右側(cè)的方法。Scala 對(duì)空格的使用不同于大多數(shù)其他語(yǔ)言,因?yàn)榛旧先魏?Scala 方法都可以充當(dāng)操作符。例如,表達(dá)式 x + y 實(shí)際上就是方法調(diào)用 x.+(y),如清單 4 中 Scala REPL(解釋器)會(huì)話中所示:

清單4.Scala中的空格化

  1. scala> val sum1 = x.+(y) 
  2. sum1:Int = 22 
  3.  
  4. scala> val sum2 = (12).+(10
  5. sum2:Int = 22 

清單4中可以看到,空格轉(zhuǎn)化也適用于常量。愿意的話,您可以將 Scala 中的所有方法都看作操作符。例如,String 類具有一個(gè) indexOf() 方法,它返回被作為參數(shù)傳遞的字符串中的索引位置。在 Scala 中,您可以用傳統(tǒng)方式通過 s.indexOf('a') 調(diào)用過它,或者作為操作符 — 像 s indexOf 'a' 中一樣。(這個(gè)具體的方法很有趣,因?yàn)樗幸粋€(gè)已重載的版本,接受一個(gè)額外的參數(shù)來指定搜索開始處的索引位置。您仍然可以使用操作符表示法調(diào)用它,但是必須將參數(shù)放置在括號(hào)中,就像 s indexOf('a', 3) 中一樣。)

Groovy 遵循 Java 關(guān)聯(lián)性約定,所以特定操作符的規(guī)則由語(yǔ)言定義。Clojure 根本不關(guān)注關(guān)聯(lián)性;它的 Lisp 語(yǔ)法不依賴于關(guān)聯(lián)性,因?yàn)樗姓Z(yǔ)句都是意義明確的。

由于 Scala 的目標(biāo)之一就是允許開發(fā)人員可以將任何東西都用作操作符,所以它不能依賴于任何關(guān)聯(lián)性規(guī)則。該語(yǔ)言如何才能允許特殊的操作符卻仍然建立規(guī)則?Scala 以一種支持開發(fā)人員最大自由度的創(chuàng)新方式解決了這個(gè)問題 — 使用操作符命名約定。默認(rèn)情況下,Scala 中操作符是左關(guān)聯(lián)的:表達(dá)式分解為一個(gè)對(duì)左操作數(shù)的方法調(diào)用,例如,這意味著表達(dá)式 x + y 分解為 x.+(y)。然而,如果方法名稱以 : 結(jié)尾,則操作符是右關(guān)聯(lián)的。例如,i +: j 調(diào)用轉(zhuǎn)化成 j.+:(i)。

關(guān)聯(lián)性解釋了為什么 清單3中的測(cè)試無法得到正確的結(jié)果。清單2中的 Scala Complex 定義中,我實(shí)現(xiàn)了 +- 操作符的版本,它們既接受 Complex,也接受 Int 參數(shù)類型。這種類型的靈活性允許復(fù)數(shù)與一般整數(shù)(即實(shí)部為零的復(fù)數(shù))相互操作。清單5說明了單元測(cè)試中的互操作性:

清單5.混合類型的測(cè)試

  1. test("mixed addition from Complex") { 
  2.   val c1 = new Complex(13
  3.   assert(new Complex(73) == c1 + 6
  4.  
  5. test("mixed subtraction from Complex") { 
  6.   val c1 = new Complex(103
  7.   assert(new Complex(53) == c1 - 5

清單5中的兩個(gè)測(cè)試都能通過,沒有問題 — 操作符方法的 Int 版本開始了。然而,如果我嘗試以下測(cè)試,它則會(huì)失敗:

  1. test("mixed subtraction from Int") { 
  2.   val c1 = new Complex(103
  3.   assert(new Complex(153) == 5 + c1) 
  4. }   

兩個(gè)測(cè)試之間的細(xì)微差別就在于關(guān)聯(lián)性上。記住,在本例中,Scala 調(diào)用左操作符的方法,這意味著它試圖開始一個(gè)為 Int 定義的方法(它知道如何處理復(fù)數(shù))。

為了解決這個(gè)問題,我在 IntComplex 之間定義了一個(gè)隱式強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。有多種方式展示這種轉(zhuǎn)換,我將在以后幾期文章中更加詳細(xì)地介紹。在本例中,我創(chuàng)建了一個(gè)伴生對(duì)象,即 Complex,這是一個(gè)用于放置 Java 語(yǔ)言中聲明為 static 的方法的地方:


  1. test("mixed addition from Complex") { 
  2.   val c1 = new Complex(13
  3.   assert(new Complex(73) == c1 + 6

該定義包含單個(gè)方法,此方法接受一個(gè) Int 并將之返回為 Complex。將這個(gè)聲明作為 Complex 類放置在相同的源文件中,然后我通過 import nealford.javaNext.complexnumbers.Complex.intToComplex 命令在我的測(cè)試案例中導(dǎo)入該方法,可以支持隱式轉(zhuǎn)換。有了轉(zhuǎn)換之后,測(cè)試案例成功通過,因?yàn)闇y(cè)試知道如何處理通過操作符發(fā)出的方法調(diào)用。

優(yōu)先級(jí)

操作符優(yōu)先級(jí)(或者操作順序)是指規(guī)定潛在存在歧義的情況下操作發(fā)生順序的語(yǔ)言規(guī)則。對(duì)于公共操作符,Groovy 依賴于 Java 優(yōu)先級(jí)規(guī)則;對(duì)于自己的定制操作符,它定義自己的規(guī)則。Clojure 不具有或不需要優(yōu)先級(jí)規(guī)則;因?yàn)樗写a都以括號(hào)形式編寫,不再會(huì)出現(xiàn)中綴表示法中固有的歧義性。

Scala 使用操作符名稱的第一個(gè)字符來確定操作順序,優(yōu)先層次是:

  • 所有其他特殊符號(hào)
  • * / %
  • + -
  • :
  • = !
  • < >
  • &
  • ^
  • |
  • 所有字母
  • 所有分配操作符

以較高級(jí)別字符開始的操作符具有較高的優(yōu)先級(jí)。例如,表達(dá)式 x *** y ||| z 將分解為 (x.***(y)).|||(z)。該規(guī)則惟一的例外是分配語(yǔ)句,或者任何以等號(hào) (=) 結(jié)尾的操作符,它們自動(dòng)具有最低優(yōu)先級(jí)。

結(jié)束語(yǔ)

Java 下一代語(yǔ)言的一個(gè)共同目標(biāo)是,簡(jiǎn)化那些影響著 Java 語(yǔ)言的繁瑣限制。操作符重載是每種語(yǔ)言解決這個(gè)問題的一個(gè)重要途徑。所有三種語(yǔ)言都允許操作符重載,只是實(shí)現(xiàn)的方式有所不同。處理關(guān)聯(lián)性和優(yōu)先級(jí)這類問題的方式的細(xì)微差別表明了,各個(gè)語(yǔ)言部分是如何緊密聯(lián)系的。Clojure 的有趣方面之一是它的語(yǔ)法 — 因?yàn)槊總€(gè)表達(dá)式都是括號(hào)形式的 — 消除了優(yōu)先級(jí)和關(guān)聯(lián)性中的歧義。

在下一期文章中,我將探究 “一切都是對(duì)象” 這一說法在 Java 下一代語(yǔ)言中的深層含義。

 

原文鏈接:http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jn2/index.html

責(zé)任編輯:陳四芳 來源: developerWorks中國(guó)
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