探索Record类型、Sealed Class等Java新特性在代码简洁性中的优势

好的，下面是一篇关于 Java Record 类型和 Sealed Class 等新特性在代码简洁性中优势的技术文章，以讲座模式呈现。

Java 新特性：Record 与 Sealed Class 在代码简洁性中的优势

大家好！今天我们来聊聊 Java 近年来引入的一些新特性，特别是 Record 类型和 Sealed Class，看看它们如何在实际开发中提升代码的简洁性和可读性。

一、Record 类型：数据类的福音

在 Java 14 中，Record 类型正式发布。它旨在简化数据载体（Data Carrier）类的创建，减少样板代码。在 Record 出现之前，我们通常使用普通的 Class 来表示数据，需要手动编写构造器、getter、equals、hashCode 和 toString 方法。这不仅繁琐，还容易出错。

1.1 传统数据类的痛点

考虑一个简单的坐标点类：

public class Point {
    private final int x;
    private final int y;

    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public int getX() {
        return x;
    }

    public int getY() {
        return y;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;

        Point point = (Point) o;

        if (x != point.x) return false;
        return y == point.y;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        int result = x;
        result = 31 * result + y;
        return result;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Point{" +
                "x=" + x +
                ", y=" + y +
                '}';
    }
}

可以看到，即使是一个非常简单的数据类，也需要编写大量的代码。如果属性增多，代码量会更加庞大。

1.2 Record 的简洁之道

使用 Record 类型，上述代码可以简化为：

public record Point(int x, int y) {}

一行代码就完成了相同的功能！Record 类型自动生成：

• 构造器（Constructor）：根据组件列表生成
• getter 方法：与组件同名
• equals 方法：基于组件的深度比较
• hashCode 方法：基于组件的哈希值
• toString 方法：以可读的格式显示组件

1.3 Record 的特性与限制

• 不可变性（Immutability）： Record 的组件默认是 final 的，确保了数据的不变性。
• 声明即定义： Record 的声明同时定义了其状态和行为。
• 可以实现接口： Record 可以实现接口，扩展其功能。
• 可以有静态方法： Record 可以包含静态方法。
• 不可以继承其他类： Record 隐式继承 java.lang.Record 类，不能再继承其他类。
• 可以有构造器重载： 可以自定义构造器，但必须委托给规范构造器（Canonical Constructor）。

1.4 Record 的实际应用

Record 非常适合表示 DTO（Data Transfer Object）、VO（Value Object）等数据载体。例如，表示一个用户信息的 Record：

public record User(String id, String name, String email) {}

public class UserService {
    public User getUserById(String id) {
        // 从数据库获取用户信息
        return new User(id, "John Doe", "[email protected]");
    }
}

1.5 Record 的构造器重载

Record 可以自定义构造器。如果需要进行参数校验或其他初始化操作，可以通过重载构造器来实现。需要注意的是，自定义构造器必须委托给规范构造器。

public record Person(String name, int age) {
    public Person { // Compact Constructor
        if (age < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Age cannot be negative");
        }
        // No need to assign fields, it's done automatically
    }

    public Person(String name) {
        this(name, 18); // Delegates to the canonical constructor
    }
}

在上面的例子中，我们定义了一个 compact constructor（紧凑构造器）用来校验年龄。 compact constructor 去掉了括号，简化了代码。同时我们还定义了一个只接受name的构造器，在该构造器里调用了 canonical constructor。

1.6 Record 的局限性

虽然 Record 在数据类方面表现出色，但也有一些局限性：

• 不适合复杂的业务逻辑： Record 主要用于数据载体，不应该包含复杂的业务逻辑。
• 难以进行状态修改： Record 的不可变性使得修改状态比较困难。如果需要修改，通常需要创建一个新的 Record 实例。

1.7 Record 和 Lombok 的比较

Lombok 也是一个流行的 Java 库，可以减少样板代码。与 Lombok 相比，Record 是 Java 语言的内置特性，不需要额外的依赖。此外，Record 更加简洁，语义更加明确。

特性	Record	Lombok
语言特性	内置	第三方库
不可变性	默认不可变	可配置
生成方法	构造器、getter、equals、hashCode、toString	可配置，如 @Data、@Value 等
IDE 支持	良好	需要插件支持
编译时处理	由编译器处理	由 Lombok 插件处理

二、Sealed Class：控制类的继承

在传统的 Java 类继承体系中，任何类都可以继承一个类（除非该类被声明为 final）。这有时会导致代码的不可预测性和维护困难。Sealed Class 提供了一种限制类的继承的方式，只有被允许的类才能继承 Sealed Class。

2.1 传统继承的挑战

考虑一个表示表达式的类：

public abstract class Expression {
    // ...
}

public class Constant extends Expression {
    private final int value;

    public Constant(int value) {
        this.value = value;
    }
}

public class Sum extends Expression {
    private final Expression left;
    private final Expression right;

    public Sum(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
    }
}

在上面的例子中，Expression 是一个抽象类，Constant 和 Sum 是它的子类。但是，任何类都可以继承 Expression，这可能会导致一些意想不到的问题。例如，如果我们想编写一个评估表达式的函数，我们需要处理所有可能的 Expression 子类。如果有人添加了一个新的 Expression 子类，我们的函数可能会出错。

2.2 Sealed Class 的优势

使用 Sealed Class，我们可以限制 Expression 的子类：

public sealed abstract class Expression permits Constant, Sum {
    // ...
}

public final class Constant extends Expression {
    private final int value;

    public Constant(int value) {
        this.value = value;
    }
}

public final class Sum extends Expression {
    private final Expression left;
    private final Expression right;

    public Sum(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
    }
}

在上面的例子中，我们使用 sealed 关键字声明 Expression 为 Sealed Class，并使用 permits 关键字指定了允许继承 Expression 的类：Constant 和 Sum。这意味着只有 Constant 和 Sum 才能继承 Expression。

2.3 Sealed Class 的特性

• 限制继承： 只有 permits 列表中指定的类才能继承 Sealed Class。
• 强制完整性： 在 switch 表达式中使用 Sealed Class 时，编译器会强制要求处理所有可能的子类型，否则会报错。
• 子类类型限制： Sealed Class 的子类必须是 final、sealed 或 non-sealed。
  • final: 不能再被继承。
  • sealed: 仍然是 Sealed Class，需要指定允许继承的类。
  • non-sealed: 允许任何类继承，打破了 Sealed Class 的限制。

2.4 Sealed Interface

除了 Sealed Class，Java 还支持 Sealed Interface。Sealed Interface 的用法与 Sealed Class 类似，都是用于限制接口的实现类。

public sealed interface Shape permits Circle, Rectangle {
    double getArea();
}

public final class Circle implements Shape {
    private final double radius;

    public Circle(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    @Override
    public double getArea() {
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

public final class Rectangle implements Shape {
    private final double width;
    private final double height;

    public Rectangle(double width, double height) {
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    @Override
    public double getArea() {
        return width * height;
    }
}

2.5 Sealed Class 的实际应用

Sealed Class 非常适合表示状态机、代数数据类型等场景。例如，表示一个网络请求的结果：

public sealed interface Result<T> permits Success, Failure {
}

public record Success<T>(T data) implements Result<T> {
}

public record Failure<T>(String message) implements Result<T> {
}

public class NetworkService {
    public Result<String> fetchData() {
        // 模拟网络请求
        if (Math.random() > 0.5) {
            return new Success<>("Data from server");
        } else {
            return new Failure<>("Network error");
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        NetworkService service = new NetworkService();
        Result<String> result = service.fetchData();

        switch (result) {
            case Success<String> s -> System.out.println("Success: " + s.data());
            case Failure<String> f -> System.out.println("Failure: " + f.message());
        }
    }
}

在上面的例子中，Result 是一个 Sealed Interface，Success 和 Failure 是它的实现类。使用 Sealed Class，我们可以确保 Result 只有两种可能的状态，从而简化了代码的逻辑。

2.6 Exhaustive Switch 语句

Sealed Class 和 Sealed Interface 最大的优势之一是与 switch 语句的配合使用。当对一个 Sealed Class 或 Sealed Interface 的实例进行 switch 操作时，编译器会检查是否处理了所有可能的子类型。如果没有处理所有子类型，编译器会报错，从而避免了潜在的运行时错误。

public sealed interface PaymentMethod permits CreditCard, PayPal, Cryptocurrency {}
public record CreditCard(String cardNumber, String expiryDate, String cvv) implements PaymentMethod {}
public record PayPal(String email) implements PaymentMethod {}
public record Cryptocurrency(String walletAddress) implements PaymentMethod {}

public class PaymentProcessor {
    public void processPayment(PaymentMethod paymentMethod) {
        switch (paymentMethod) {
            case CreditCard cc -> {
                // Process credit card payment
                System.out.println("Processing credit card payment");
            }
            case PayPal pp -> {
                // Process PayPal payment
                System.out.println("Processing PayPal payment");
            }
            case Cryptocurrency cp -> {
                // Process Cryptocurrency payment
                System.out.println("Processing Cryptocurrency payment");
            }
        }
    }
}

如果稍后添加了一个新的 PaymentMethod 子类型，例如 BankTransfer，并且没有更新 processPayment 方法来处理新的类型，编译器会发出警告或错误，提醒开发者更新代码。

2.7 Sealed Class 和 Enum 的比较

Sealed Class 和 Enum 都可以用于表示一组有限的状态。但是，它们之间也有一些区别：

特性	Sealed Class	Enum
状态类型	可以是不同的类	必须是枚举常量
状态数据	可以包含任意数据	只能包含简单的常量数据
扩展性	可以通过 permits 列表进行扩展	不可扩展
适用场景	状态类型复杂，需要包含数据的场景	状态类型简单，不需要包含数据的场景

三、其他相关特性

除了 Record 和 Sealed Class，Java 近年来还引入了一些其他特性，可以提升代码的简洁性：

• Text Blocks： 方便编写多行字符串。
• Pattern Matching for instanceof： 简化类型判断和转换。
• Switch 表达式： 更加简洁的 switch 语句。

3.1 Text Blocks

Text Blocks 允许我们在 Java 代码中直接编写多行字符串，而无需使用大量的转义字符。

String html = """
        <html>
            <body>
                <h1>Hello, world!</h1>
            </body>
        </html>
        """;

System.out.println(html);

3.2 Pattern Matching for instanceof

Pattern Matching for instanceof 简化了类型判断和转换。

Object obj = "Hello";

if (obj instanceof String s) {
    System.out.println(s.toUpperCase());
}

3.3 Switch 表达式

Switch 表达式 更加简洁的 switch 语句。

int day = 2;

String dayType = switch (day) {
    case 1, 2, 3, 4, 5 -> "Weekday";
    case 6, 7 -> "Weekend";
    default -> "Invalid day";
};

System.out.println(dayType);

四、使用新特性编写更简洁的代码

现在，让我们通过一个综合的例子来展示如何使用 Record、Sealed Class 和其他新特性来编写更简洁的代码。

假设我们需要处理不同类型的支付方式，包括信用卡、PayPal 和加密货币。我们可以使用 Sealed Interface 来定义支付方式的类型，并使用 Record 来表示每种支付方式的具体信息。

public sealed interface PaymentMethod permits CreditCard, PayPal, Cryptocurrency {
    String processPayment();
}

public record CreditCard(String cardNumber, String expiryDate, String cvv) implements PaymentMethod {
    @Override
    public String processPayment() {
        return "Processing credit card payment";
    }
}

public record PayPal(String email) implements PaymentMethod {
    @Override
    public String processPayment() {
        return "Processing PayPal payment";
    }
}

public record Cryptocurrency(String walletAddress) implements PaymentMethod {
    @Override
    public String processPayment() {
        return "Processing cryptocurrency payment";
    }
}

public class PaymentService {
    public String process(PaymentMethod paymentMethod) {
        return switch (paymentMethod) {
            case CreditCard cc -> cc.processPayment();
            case PayPal pp -> pp.processPayment();
            case Cryptocurrency cp -> cp.processPayment();
        };
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        PaymentService paymentService = new PaymentService();

        PaymentMethod creditCard = new CreditCard("1234-5678-9012-3456", "12/24", "123");
        PaymentMethod paypal = new PayPal("[email protected]");
        PaymentMethod cryptocurrency = new Cryptocurrency("0x1234567890abcdef");

        System.out.println(paymentService.process(creditCard));
        System.out.println(paymentService.process(paypal));
        System.out.println(paymentService.process(cryptocurrency));
    }
}

在这个例子中，我们使用了 Sealed Interface PaymentMethod 来定义支付方式的类型，并使用 Record 来表示每种支付方式的具体信息。我们还使用了 Switch 表达式来处理不同类型的支付方式。这样可以使代码更加简洁、可读，并且易于维护。

五、总结一下今天的内容

今天，我们深入探讨了 Java Record 类型和 Sealed Class 等新特性，并展示了它们如何在实际开发中提升代码的简洁性和可读性。Record 类型简化了数据类的创建，减少了样板代码；Sealed Class 限制了类的继承，提高了代码的可预测性。合理利用这些新特性，可以编写出更加优雅、高效的 Java 代码。希望今天的分享对大家有所帮助！