Java语言新特性？封印类

本文要点：

• 即将于 2020 年 9 月发布的 Java SE 15 将引入“封印类（sealed class）”（JEP 360），并将其作为预览特性。

• 封印类是一种类或接口，对哪些类或接口可以扩展它们进行了限制。

• 封印类就像枚举一样，可以捕获领域模型中的可选项，让程序员和编译器可以控制穷举。

• 通过解耦可访问性和可扩展性，封印类有助于创建安全的继承结构，让程序库开发人员既可以公开接口，又能够控制所有的实现。

• 封印类与记录类和模式匹配一起，为以数据为中心的编程模式提供支持。

Java SE 15（即将于 2020 年 9 月发布）引入封印类作为预览特性。封印类和接口对可扩展它们的子类型具有更多的控制权， 这对于一般的领域建模和构建更安全的平台库来说都是很有用的。

我们可以用 sealed 来声明一个类或接口，这意味着只有一组特定的类或接口可以直接对其进行扩展：

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sealed interface Shape     permits Circle, Rectangle { ... }

这段代码声明了一个叫作 Shape 的封印接口。permits 列表限制了只有“Circle”和“Shape”可以实现 Shape。（在某些情况下，编译器可以为我们推断出 permits 子句）。任何其他尝试扩展 Shape 的类或接口都将收到编译错误（如果你试图通过其他方式生成 Shape 子类，会在运行时出现错误）。

我们都知道可以通过 final 来限制扩展，而封印类可以被认为是广义的 final。限制可扩展的子类型将带来两个好处：超类型可以更好地指定可能的实现，而编译器可以更好地控制穷举（例如在 switch 语句或进行类型转换时）。封印类可与 记录类配对使用。

求和类型和乘积类型

上面的接口声明了 Shape 可以是 Circle 或 Rectangle，但不能是其他东西。换句话说，Shape 的集合等于 Circle 的集合加上 Rectangle 的集合。因此，封印类通常被称为求和（sum）类型，因为它们的值的集合是其他固定几种类型的值集合的总和。求和类型和封印类并不是什么新生事物，Scala 也有封印类，Haskell 和 ML 有用于定义求和类型的原语，有时候也被叫作标记联合（tagged union）或区分联合（discriminated union）。

求和类型经常与乘积类型一起使用。最近在 Java 中引入的记录类就是乘积类型，之所以被叫作乘积类型，是因为它们的状态空间是其组件的状态空间的笛卡尔乘积。（如果这么说听起来有点复杂，那么请将乘积类型看成元组，并将记录类看成名义上的元组）。让我们使用记录类继续声明 Shape 的子类型：

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sealed interface Shape     permits Circle, Rectangle {       record Circle(Point center, int radius) implements Shape { }       record Rectangle(Point lowerLeft, Point upperRight) implements Shape { }  }

我们可以看到求和类型与乘积类型是如何结合在一起使用的。我们可以说“圆形是通过一个中心点和半径来定义的”、“矩形是通过两个点来定义的”以及“形状可以是圆形或矩形”。因为我们认为以这种方式共同声明基类及其实现是很常见的，所以当所有子类型都声明在同一编译单元中时，就可以省略 permits：

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sealed interface Shape {       record Circle(Point center, int radius) implements Shape { }       record Rectangle(Point lowerLeft, Point upperRight) implements Shape { }  }

这样是不是违反了封装性原则？

面向对象建模鼓励我们隐藏抽象类的实现，不建议我们问“Shape 可能的子类型是什么”之类的问题，并告诉我们向下转换到特定的实现类是一种“代码坏味道”。那么，为什么我们要引入这个似乎违反了这些原则的语言特性呢？（我们也可以针对记录类提出同样的问题：要求在类表示与其 API 之间建立特定关系是不是违反了封装性原则？）

答案当然是“视情况而定”。在对抽象服务进行建模时，客户端通过抽象类型与服务进行交互可以降低耦合度，并最大限度地提高系统的演化灵活性。但是，在对特定领域进行建模时，如果该领域的特性已经是众所周知的，那么封装性原则可能就不一定会给我们带来多大好处。正如我们在记录类中所看到的那样，在对一些很普通的事物（例如点或 RGB 颜色）进行建模时，使用通用性对数据进行建模既需要做大量低价值的工作，而且更糟糕的是，这样通常会造成混淆。对于这种情况，封装性原则的成本已经超过了它的优势。

同样的结论也适用于封印类。在为一个简单且稳定的领域建模时，封装性原则并不一定会为我们带来好处，甚至还可能让客户端更加难以使用简单的领域内容。

当然，这并不说封装性原则是错误的，而是说成本和收益之间的权衡有时候不是那么明显。我们可以自己判断什么时候可以从中获得好处，什么时候会给我们造成阻碍。在选择是公开还是隐藏实现时，我们必须清楚封装性原则的好处和成本。通常，封装性是有好处的，但在为简单的领域建模时，封装性的好处可能会大打折扣。

如果一个类型，比如 Shape，限定了接口和实现类，我们就可以更放心地把它转成 Circle，因为 Shape 将 Circle 列为它的已知子类型之一。就像记录类是一种更透明的类，求和类型是一种更透明的多态性。这就是为什么求和类型和乘积类型会如此频繁一起出现。它们都代表了透明性和抽象性之间的某种折衷，因此，适合使用其中一个类型的地方也适合使用另一个类型。乘积和类型通常被称为 代数数据类型。

穷举

像 Shape 这样的封印类限定了一系列子类型，有助于程序员和编译器作出推断，而如果没有这些信息，我们就做不到。其他工具也可以利用这些信息。Javadoc 工具在生成的文档页面中列出了封印类允许的子类型。

Java SE 14 引入了一种有限定的 模式匹配，在未来会进一步扩展。第一个版本允许我们在 instanceof 中使用类型模式：

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if (shape instanceof Circle c) {     // 编译器已经为我们将 shape 转成 Circle 类型，并赋值给 c     System.out.printf("Circle of radius %d%n", c.radius());  }

这离在 switch 中使用类型模式已经不远了。(Java SE 15 还不支持，但很快就会出现。) 到了那个时候，我们可以使用 switch 表达式（case 后面直接是类型）来计算一个形状的面积，如下所示：

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float area = switch (shape) {    case Circle c -> Math.PI * c.radius() * c.radius();    case Rectangle r -> Math.abs((r.upperRight().y() - r.lowerLeft().y())                                 * (r.upperRight().x() - r.lowerLeft().x()));    // 不需要提供默认情况！}

封印类在这里的作用是可以不使用默认子句，因为编译器从 Shape 的声明中已经知道 Circle 和 Rectangle 覆盖了所有形状，因此默认子句不会被执行。(编译器仍然会悄悄地在 switch 表达式中插入一个默认子句，这样做是为了防止在编译和运行这段时间内子类型发生变化，但没有必要让程序员来做这件事情。) 这类似于对枚举进行 switch，因为枚举覆盖了所有已知的常量，所以也不需要使用默认子句。(对于这种情况，忽略默认子句通常会更好，因为使用默认子句好像在提醒我们是不是错过了某种情况）。

Shape 的继承结构给了客户端一个选择：它们可以完全通过抽象接口使用形状，也可以“展开”抽象，并在必要时与更具体的形状发生交互。模式匹配等特性使这种“展开”更易于阅读和编写。

代数数据类型示例

“乘积和”模式非常强大。最好的情况是，子类型列表不发生变化，并预计客户端会直接区分子类型，这样会更容易，也更有用。

限定一组固定的子类型，并鼓励客户端直接使用这些子类型，这是一种紧耦合的形式。在所有条件相同的情况下，我们鼓励使用松耦合的设计，以最大限度地提高灵活性，但这种松耦合也是要付出代价的。在编程语言中同时使用“不透明”和“透明”的抽象可以让我们根据实际情况选择合适的工具。

我们可能已经在 java.util.concurrent.Future API 中使用了一系列乘积和 (如果当时这是一种选择的话)。Future 表示可以与其发起者并发执行的计算，Future 所代表的计算可能还没有开始、已经开始但还没有完成、已经成功完成（或已经完成但出现异常）、已经超时或被中断取消。Future 的 get() 方法反映了所有这些可能性：

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interface Future {    ...    V get(long timeout, TimeUnit unit)        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;}

如果计算尚未完成，get() 会一直阻塞，直到完成。如果是成功的，则返回计算结果。如果抛出异常，异常将被封装在 ExecutionException 中。如果计算超时或被中断，则会抛出另一种异常。这个 API 非常精确，但使用起来有些痛苦，因为它有多个控制路径，不管是普通路径 (get() 返回一个值) 还是失败路径，都必须在 catch 块中处理：

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try {    V v = future.get();    // 处理一般的完成情况}catch (TimeoutException e) {    // 处理超时}catch (InterruptedException e) {    // 处理取消}catch (ExecutionException e) {    Throwable cause = e.getCause();    // 处理失败}

如果在 Java 5 引入 Future 时，我们已经有封印类、记录类和模式匹配，那么我们可能会这样定义返回类型：

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sealed interface AsyncReturn {    record Success(V result) implements AsyncReturn { }    record Failure(Throwable cause) implements AsyncReturn { }    record Timeout() implements AsyncReturn { }    record Interrupted() implements AsyncReturn { }}...interface Future {    AsyncReturn get();}

在这里，异步结果可以是成功 (包含返回值)、失败 (包含异常)、超时或取消。这是对可能出现的结果更为统一的描述，而不是用返回值描述其中的一些结果，再用异常描述另一些结果。客户端仍然需要处理所有的情况——无法回避任务可能会失败的事实——但我们可以统一地 (并更紧凑地) 处理这些情况（见脚注）：

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AsyncResult r = future.get();switch (r) {    case Success(var result): ...    case Failure(Throwable cause): ...    case Timeout(), Interrupted(): ...}

乘积和是一种广义的枚举

我们可以把乘积和看成是一种广义的枚举。枚举声明了一种类型，包含一组完整的常量实例：

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enum Planet { MERCURY, VENUS, EARTH, ... }

我们可以将数据与每个常数关联起来，例如行星的质量和半径：

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enum Planet {    MERCURY (3.303e+23, 2.4397e6),    VENUS (4.869e+24, 6.0518e6),    EARTH (5.976e+24, 6.37814e6),    ...}

封印类枚举的不是固定的实例列表，而是固定的实例类型列表。例如，这个封印接口列出了各种天体，以及与各种天体相关的数据：

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sealed interface Celestial {    record Planet(String name, double mass, double radius)        implements Celestial {}    record Star(String name, double mass, double temperature)        implements Celestial {}    record Comet(String name, double period, LocalDateTime lastSeen)        implements Celestial {}}

正如我们可以对枚举常量进行 switch，我们也可以对各种天体进行 switch：

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switch (celestial) {    case Planet(String name, double mass, double radius): ...    case Star(String name, double mass, double temp): ...    case Comet(String name, double period, LocalDateTime lastSeen): ...}

这种模式的例子随处可见：UI 系统中的事件、服务系统中的返回代码、协议中的消息，等等。

更安全的继承结构

到目前为止，我们已经讨论了在什么情况下封印类对领域建模是有帮助的。封印类还有另一个完全不同的应用：更安全的继承结构。

在 Java 里，我们通过将类标记为 final 来表示“这个类不能被继承”。final 在语言中的存在说明了一个关于类的基本事实：有时候类被设计为可扩展的，有时候则不是，我们希望同时支持这两种模式。实际上，《 Effective Java》建议我们“为扩展而设计，否则就禁止扩展”。这是一个很好的建议，如果编程语言在这方面为我们提供更多的帮助，我们可能会更容易接受这个建议。

可惜的是，编程语言在两方面未能帮到我们：默认的类是可扩展的，而 final 机制实际上非常弱，因为它迫使程序员在约束扩展和使用多态性之间做出选择。以 String 为例，字符串是不可变的，因此 String 不能被继承，这对平台的安全性来说至关重要——但对于实现来说，拥有多个子类型会更为方便。解决这个问题的成本是巨大的。紧凑字符串对仅由 Latin-1 字符组成的字符串进行了特殊处理，从而显著降低了占用空间，并提升了性能，但如果 String 是一个封印类而不是 final 的类，这样做会更容易、成本更低。

有一种方法可以模拟封印类（不是接口），即使用包内可见的构造函数，并将所有实现放在同一个包中。虽然这样做是可以的，但令人感到不是很舒服，因为你要公开一个抽象类，但又不希望被扩展。程序库作者更喜欢使用接口来公开不透明的抽象，但抽象类是用来为实现提供辅助的，并不是建模工具（参见《Effective Java》的“Prefer interfaces to abstract classes”）。

有了封印接口，程序库作者不需要再纠结是使用多态性、是允许不受控制的扩展还是将抽象公开为接口——他们可以同时拥有这三种技术。作者可能会选择让实现类可访问，但更有可能让实现类保持封装性。

封印类允许程序库作者将可访问性与可扩展性解耦。这种灵活性很好，但我们应该在什么时候使用呢？当然，我们不希望将 List 变成封印接口，因为对于用户来说，创建新类型的 List 是完全合理和可取的。封印既有成本 (用户不能创建新的实现) 也有好处 (可以全局控制实现)，我们应该在好处高过成本的时候使用封印。

其他说明

sealed 可以用于修饰类或接口，但试图对一个 final 类添加 sealed 修饰符是不行的，不管这个类是显式地使用 final 声明，还是隐式地使用 final(比如枚举和记录类)。

一个封印类有一个允许扩展它的子类型列表，这些子类型必须在编译封印类时可用，必须是封印类的子类型，并且必须与封印类位于同一个模块中 (如果是未命名的模块，就必须在同一个包中)。实际上这意味着它们必须与封印类一同维护，对于这种紧密的耦合，这样的要求是合理。

如果允许扩展的子类型都与封印类位于相同的编译单元中，那么 permit 子句可以省略。封印类不能作为 lambda 表达式的函数接口，也不能作为匿名类的基类。

封印类的子类型必须更明确地说明它们的可扩展性。封印类的子类型必须是 sealed、final 或显式标记为 non-sealed。(记录类和枚举是隐式 final，因此不需要显式标记。) 如果类或接口的超类型不是 sealed，那么就不能将其标记为 non-sealed 的。

将已有的 final 类变成 sealed 的，不管是在二进制文件还是源码方面都是兼容的。但将非 final 类变成 sealed，不管是在二进制还是源代码方面都是不兼容的。在封印类中添加新的允许子类型是二进制兼容的，但不是源代码兼容的 (这可能会破坏 switch 表达式的穷举性)。

总结

封印类有多种用途。如果有必要捕获领域模型中的一组完整可选项，可以将它们可以作为一种领域建模技术。如果需要解耦可访问性和可扩展性，可以将它们可以作为一种实现技术。封印类是对记录类的自然补充，因为它们一起形成了代数数据类型。它们也很适合用于模式匹配。Java 也很快会带来模式匹配。

脚注

这个示例使用了某种 switch 表达式形式——它使用模式作为 case——Java 还不支持这种形式。每六个月的发布周期允许我们同时设计功能，但可以单独交付。我们非常期待在不久的将来 switch 能够使用模式作为 case。