Java中的Sealed Class：在编译期限制类层次结构以增强类型安全

Java Sealed Class：编译期限制类层次结构以增强类型安全

各位听众，大家好。今天我们来深入探讨Java中的一个重要特性：Sealed Class（密封类）。Sealed Class是Java 17中正式引入的功能，它允许我们在编译时限制类的继承结构，从而提高类型安全性和代码的可维护性。在传统的面向对象编程中，一个类可以被任意类继承，这虽然带来了灵活性，但也可能导致代码结构失控，难以预测。Sealed Class的出现正是为了解决这个问题。

1. 什么是Sealed Class？

简单来说，Sealed Class是一种特殊的类，它通过sealed关键字声明，并且必须明确列出允许继承或实现的子类（或接口的实现类）。这意味着编译器在编译时就能知道所有可能的子类型，从而可以进行更严格的类型检查和模式匹配优化。

与传统的类相比，Sealed Class的核心区别在于其继承结构的封闭性。传统的类默认是开放的，允许任何类继承；而Sealed Class则是封闭的，只允许指定的类继承。这种封闭性使得我们可以更好地控制代码的演进，防止意外的继承关系破坏程序的逻辑。

2. Sealed Class的基本语法

声明一个Sealed Class需要使用sealed关键字，并在类名之后使用permits关键字列出允许继承的子类：

sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Square {
    // Shape类的成员
}

final class Circle extends Shape {
    // Circle类的成员
}

final class Rectangle extends Shape {
    // Rectangle类的成员
}

final class Square extends Shape {
    // Square类的成员
}

在这个例子中，Shape是一个Sealed Class，它只允许Circle、Rectangle和Square这三个类继承。任何其他类都无法直接继承Shape。

需要注意的是，permits关键字后列出的子类必须与Sealed Class在同一个编译单元（即同一个Java源文件）中定义，或者在同一个模块中定义。这意味着Sealed Class的继承结构必须在编译时完全可知。

此外，Sealed Class的子类必须遵循以下规则：

• 必须与Sealed Class在同一个编译单元或模块中。
• 必须使用final、sealed或non-sealed关键字修饰。
  • final: 表示该子类不能再被继承。
  • sealed: 表示该子类也是一个Sealed Class，需要进一步指定允许继承的子类。
  • non-sealed: 表示该子类可以被任意类继承，打破了Sealed Class的封闭性。使用non-sealed需要谨慎，因为它会降低类型安全性。

3. Sealed Interface

除了类，Sealed Class的概念也适用于接口。Sealed Interface使用sealed关键字声明，并使用permits关键字列出允许实现的类或接口：

sealed interface Expression permits Constant, Addition, Multiplication {
    // Expression接口的成员
}

final class Constant implements Expression {
    private final int value;

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

    public int getValue() {
        return value;
    }
}

sealed class Addition implements Expression permits Subtraction {
    private final Expression left;
    private final Expression right;

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

    public Expression getLeft() {
        return left;
    }

    public Expression getRight() {
        return right;
    }
}

final class Multiplication implements Expression {
    private final Expression left;
    private final Expression right;

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

    public Expression getLeft() {
        return left;
    }

    public Expression getRight() {
        return right;
    }
}

final class Subtraction extends Addition {
    public Subtraction(Expression left, Expression right) {
        super(left, right);
    }
}

在这个例子中，Expression是一个Sealed Interface，它只允许Constant、Addition和Multiplication这三个类实现。Addition本身也是一个sealed class, 它允许 Subtraction 类继承。

4. Sealed Class的优势

Sealed Class带来了许多优势，主要体现在以下几个方面：

• 增强类型安全性： 由于编译器知道所有可能的子类型，因此可以进行更严格的类型检查，避免了运行时的类型转换错误。
• 简化模式匹配： Sealed Class与Java 17中引入的模式匹配特性结合使用，可以简化代码，提高可读性。例如，可以使用switch表达式对Sealed Class的子类型进行处理，编译器可以保证switch表达式覆盖了所有可能的子类型，避免了遗漏情况。
• 提高代码可维护性： Sealed Class明确了类的继承结构，使得代码的演进更加可控，降低了引入bug的风险。
• 更强的代码表达能力： Sealed Class可以更清晰地表达领域模型的结构，使得代码更易于理解和维护。

5. Sealed Class与模式匹配

Sealed Class与模式匹配是天作之合。模式匹配允许我们根据对象的类型和属性来执行不同的操作。结合Sealed Class，我们可以编写更加简洁、安全的代码。

例如，考虑一个表示算术表达式的Sealed Interface：

sealed interface Expression {
    int evaluate();
}

record Constant(int value) implements Expression {
    @Override
    public int evaluate() {
        return value;
    }
}

record Addition(Expression left, Expression right) implements Expression {
    @Override
    public int evaluate() {
        return left.evaluate() + right.evaluate();
    }
}

record Multiplication(Expression left, Expression right) implements Expression {
    @Override
    public int evaluate() {
        return left.evaluate() * right.evaluate();
    }
}

现在，我们可以使用switch表达式对Expression进行求值：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Expression expression = new Addition(new Constant(5), new Multiplication(new Constant(2), new Constant(3)));
        int result = evaluate(expression);
        System.out.println("Result: " + result); // Output: Result: 11
    }

    public static int evaluate(Expression expression) {
        return switch (expression) {
            case Constant c -> c.value();
            case Addition a -> a.left().evaluate() + a.right().evaluate();
            case Multiplication m -> m.left().evaluate() * m.right().evaluate();
        };
    }
}

在这个例子中，switch表达式根据expression的类型（Constant、Addition或Multiplication）执行不同的操作。由于Expression是一个Sealed Interface，编译器可以保证switch表达式覆盖了所有可能的子类型。如果我们在Expression中添加一个新的子类型，而没有更新switch表达式，编译器将会发出警告。

如果我们使用传统的if-else语句来实现相同的功能，代码会更加冗长，并且容易遗漏情况：

public static int evaluateOld(Expression expression) {
    if (expression instanceof Constant) {
        Constant c = (Constant) expression;
        return c.value();
    } else if (expression instanceof Addition) {
        Addition a = (Addition) expression;
        return a.left().evaluate() + a.right().evaluate();
    } else if (expression instanceof Multiplication) {
        Multiplication m = (Multiplication) expression;
        return m.left().evaluate() * m.right().evaluate();
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Unknown expression type: " + expression.getClass());
    }
}

可以看到，使用Sealed Class和模式匹配可以大大简化代码，提高可读性和安全性。

6. non-sealed关键字

non-sealed关键字用于打破Sealed Class的封闭性，允许任意类继承Sealed Class的子类。使用non-sealed关键字需要谨慎，因为它会降低类型安全性。

例如：

sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Square {
    // Shape类的成员
}

final class Circle extends Shape {
    // Circle类的成员
}

non-sealed class Rectangle extends Shape {
    // Rectangle类的成员
}

final class Square extends Shape {
    // Square类的成员
}

class MyRectangle extends Rectangle {
    // MyRectangle类的成员
}

在这个例子中，Rectangle使用了non-sealed关键字修饰，因此MyRectangle可以继承Rectangle。这意味着Shape的继承结构不再完全封闭，可能会引入未知的子类型。

在选择使用non-sealed关键字时，需要仔细考虑其带来的风险，并确保在代码中进行适当的类型检查。

7. Sealed Class的应用场景

Sealed Class在以下场景中非常有用：

• 表示有限状态机： 可以使用Sealed Class来表示状态机的状态，并使用模式匹配来处理不同的状态转换。
• 表示代数数据类型： 可以使用Sealed Class来表示代数数据类型，例如Option、Result等。
• 实现领域驱动设计： 可以使用Sealed Class来清晰地表达领域模型的结构，提高代码的可读性和可维护性。
• 创建内部API： 可以使用Sealed Class来限制内部API的继承，防止外部代码意外地扩展API。

8. Sealed Class的局限性

Sealed Class虽然带来了许多优势，但也存在一些局限性：

• 增加了代码的复杂性： Sealed Class需要明确列出所有允许继承的子类，这可能会增加代码的复杂性，特别是对于大型项目。
• 限制了代码的灵活性： Sealed Class限制了类的继承结构，这可能会降低代码的灵活性，使得难以扩展代码。
• 与现有的代码不兼容： Sealed Class是Java 17中引入的新特性，与现有的代码不兼容。需要修改现有的代码才能使用Sealed Class。

9. 使用Sealed Class的注意事项

在使用Sealed Class时，需要注意以下几点：

• 仔细考虑是否需要使用Sealed Class： Sealed Class并非适用于所有场景。在选择使用Sealed Class之前，需要仔细考虑其带来的优势和局限性。
• 明确类的继承结构： 在声明Sealed Class时，需要明确列出所有允许继承的子类。
• 使用final、sealed或non-sealed关键字修饰子类： Sealed Class的子类必须使用final、sealed或non-sealed关键字修饰。
• 谨慎使用non-sealed关键字： 使用non-sealed关键字会降低类型安全性，需要谨慎使用。
• 与模式匹配结合使用： Sealed Class与模式匹配是天作之合，可以简化代码，提高可读性和安全性。

10. Sealed Class与枚举类的比较

Sealed Class在某些方面与枚举类相似，都可以表示一组有限的可能值。但是，Sealed Class比枚举类更加灵活，可以包含更复杂的状态和行为。

特性	枚举类	Sealed Class
继承性	不能被继承	可以被继承，但继承结构必须在编译时可知
状态和行为	只能包含简单的常量值	可以包含更复杂的状态和行为
使用场景	表示一组固定的常量值，例如星期几、颜色等	表示一组具有不同状态和行为的对象，例如状态机、代数数据类型等
类型安全性	高	高
模式匹配	支持	支持，并且与模式匹配结合使用可以简化代码，提高可读性和安全性

总的来说，枚举类适用于表示一组固定的常量值，而Sealed Class适用于表示一组具有不同状态和行为的对象。

11. 代码示例：使用Sealed Class实现状态机

我们可以使用Sealed Class来实现一个简单的状态机，例如一个订单的状态机：

sealed interface OrderState {
    String getDescription();
}

record Created() implements OrderState {
    @Override
    public String getDescription() {
        return "Order created";
    }
}

record Processing() implements OrderState {
    @Override
    public String getDescription() {
        return "Order processing";
    }
}

record Shipped() implements OrderState {
    @Override
    public String getDescription() {
        return "Order shipped";
    }
}

record Delivered() implements OrderState {
    @Override
    public String getDescription() {
        return "Order delivered";
    }
}

record Cancelled() implements OrderState {
    @Override
    public String getDescription() {
        return "Order cancelled";
    }
}

public class Order {
    private OrderState state;

    public Order() {
        this.state = new Created();
    }

    public void process() {
        if (state instanceof Created) {
            this.state = new Processing();
        } else {
            System.out.println("Cannot process order in state: " + state.getDescription());
        }
    }

    public void ship() {
        if (state instanceof Processing) {
            this.state = new Shipped();
        } else {
            System.out.println("Cannot ship order in state: " + state.getDescription());
        }
    }

    public void deliver() {
        if (state instanceof Shipped) {
            this.state = new Delivered();
        } else {
            System.out.println("Cannot deliver order in state: " + state.getDescription());
        }
    }

    public void cancel() {
        if (!(state instanceof Delivered) && !(state instanceof Cancelled)) {
            this.state = new Cancelled();
        } else {
            System.out.println("Cannot cancel order in state: " + state.getDescription());
        }
    }

    public OrderState getState() {
        return state;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Order order = new Order();
        System.out.println("Initial state: " + order.getState().getDescription());

        order.process();
        System.out.println("State after processing: " + order.getState().getDescription());

        order.ship();
        System.out.println("State after shipping: " + order.getState().getDescription());

        order.deliver();
        System.out.println("State after delivery: " + order.getState().getDescription());

        order.cancel(); // This will not change the state
        System.out.println("State after attempting to cancel: " + order.getState().getDescription());
    }
}

在这个例子中，OrderState是一个Sealed Interface，它表示订单的状态。Created、Processing、Shipped、Delivered和Cancelled是OrderState的实现类，分别表示订单的不同状态。

Order类使用OrderState来表示订单的当前状态，并提供了process、ship、deliver和cancel方法来改变订单的状态。

由于OrderState是一个Sealed Interface，编译器可以保证Order类中的状态转换逻辑覆盖了所有可能的状态。

12. 总结

Sealed Class是Java中一个强大的特性，它允许我们在编译时限制类的继承结构，从而提高类型安全性、简化模式匹配和提高代码可维护性。虽然Sealed Class也存在一些局限性，但它在许多场景中都非常有用。掌握Sealed Class的使用方法对于编写高质量的Java代码至关重要。 好了，今天的讲解就到这里，希望对大家有所帮助。

最后的几句话

Sealed Class封闭了继承，增强了类型安全。结合模式匹配，编码更简洁有效。理解并合理运用 Sealed Class，可以提高代码质量。