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Java下一代:Groovy、Scala和Clojure共性,第1部分

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Java下一代語言(Groovy、Scala 和 Clojure)的共同點多于不同點,主要集中于很多功能和方便性上的共同點。本期文章探究它們各自如何克服 Java™ 語言中長期存在的一個缺點 — 無法重載操作符。還要討論關聯性和優先級等相關概念。

編程語言中的好理念可以延續并擴展到其他語言,就像美酒一樣歷久彌香。因此,不足奇怪的是,Java 下一代語言 — 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,我將探討每種語言語法中功能清單的一致性。我從能夠重載操作符這個特性說起 — 克服了Java 語言中長期存在的一個缺點。

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,我試圖實現注釋中的這個公式。在 Java 編程中,因無法重載數學操作符,使得我只能求助于方法調用。靜態導入可以解決問題,但是對于所選擇的上下文,顯然需要適當的操作符重載。最初的 Java 工程師故意從語言上忽略操作符重載,不過這感覺增加了太大的復雜性。但是經驗表明,因缺乏這一特性而強加給開發人員的復雜性更甚于潛在的濫用機會。

用稍微各不相同的方式,所有三種 Java 下一代語言都實現了操作符重載。

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。[* 是一個有效的方法名稱,這就是 Scala 使用下劃線 (_) 符號而不是 Java 星號 (*) 符號來代表導入的原因之一。]

我使用復數來說明重載。復數是一種數學表示,包括實部和虛部,例如通常寫作 3 + 4i 這樣的形式。復數在很多科學領域都很常見,包括工程學、物理學、電磁學以及其他理論。清單 2 顯示了復數的 Scala 實現:

清單2.Scala復數

 
  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 關鍵字

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

Scala 通過折疊不必要的腳手架代碼,大大降低了 Java 語言的啰嗦程度。例如,在 清單 2 中,類中的構造函數參數和字段與類定義一起出現。在本例中,類的主體充當構造函數,所以對 require() 方法的調用在第一次實例化操作過程中驗證值的存在。因為 Scala 自動提供字段,所以類的其余部分包含方法定義。對于 +、-* 操作符,我都聲明了接受 Complex 數作為參數的同名方法。復數的乘法不及加法和減法那么直觀。清單 2 中已重載的 * 方法實現公式:

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

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

實際上,增加的 +-* 方法都跟標準的操作符沒什么區別,如清單 3 中的單元測試所示:

清單3.練習Scala復數

  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中的測試失敗,揭示了一個有趣的不一致性。后面討論關聯性 時,我指出并解決了這個問題。但是,現在簡單介紹一下 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 “函數設計模式,第 3 部分”,即我函數式思維系列(探討函數語言中的可擴展性)中的一期文章,我用同一個復數例子詳細介紹了 Groovy 的操作符重載。

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

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

Clojure的操作符

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

關聯性

操作符關聯性 是指操作符是等式左側還是右側的方法。Scala 對空格的使用不同于大多數其他語言,因為基本上任何 Scala 方法都可以充當操作符。例如,表達式 x + y 實際上就是方法調用 x.+(y),如清單 4 中 Scala REPL(解釋器)會話中所示:

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 indexOf() 方法,它返回被作為參數傳遞的字符串中的索引位置。在 Scala 中,您可以用傳統方式通過 s.indexOf('a') 調用過它,或者作為操作符 — 像 s indexOf 'a' 中一樣。(這個具體的方法很有趣,因為它有一個已重載的版本,接受一個額外的參數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用它,但是必須將參數放置在括號中,就像 s indexOf('a', 3) 中一樣。)

Groovy 遵循 Java 關聯性約定,所以特定操作符的規則由語言定義。Clojure 根本不關注關聯性;它的 Lisp 語法不依賴于關聯性,因為所有語句都是意義明確的。

由于 Scala 的目標之一就是允許開發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聯性規則。該語言如何才能允許特殊的操作符卻仍然建立規則?Scala 以一種支持開發人員最大自由度的創新方式解決了這個問題 — 使用操作符命名約定。默認情況下,Scala 中操作符是左關聯的:表達式分解為一個對左操作數的方法調用,例如,這意味著表達式 x + y 分解為 x.+(y)。然而,如果方法名稱以 : 結尾,則操作符是右關聯的。例如,i +: j 調用轉化成 j.+:(i)

關聯性解釋了為什么 清單3中的測試無法得到正確的結果。清單2中的 Scala Complex 定義中,我實現了 +- 操作符的版本,它們既接受 Complex,也接受 Int 參數類型。這種類型的靈活性允許復數與一般整數(即實部為零的復數)相互操作。清單5說明了單元測試中的互操作性:

清單5.混合類型的測試

  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中的兩個測試都能通過,沒有問題 — 操作符方法的 Int 版本開始了。然而,如果我嘗試以下測試,它則會失?。?/p>

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

兩個測試之間的細微差別就在于關聯性上。記住,在本例中,Scala 調用左操作符的方法,這意味著它試圖開始一個為 Int 定義的方法(它知道如何處理復數)。

為了解決這個問題,我在 IntComplex 之間定義了一個隱式強制類型轉換。有多種方式展示這種轉換,我將在以后幾期文章中更加詳細地介紹。在本例中,我創建了一個伴生對象,即 Complex,這是一個用于放置 Java 語言中聲明為 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

該定義包含單個方法,此方法接受一個 Int 并將之返回為 Complex。將這個聲明作為 Complex 類放置在相同的源文件中,然后我通過 import nealford.javaNext.complexnumbers.Complex.intToComplex 命令在我的測試案例中導入該方法,可以支持隱式轉換。有了轉換之后,測試案例成功通過,因為測試知道如何處理通過操作符發出的方法調用。

優先級

操作符優先級(或者操作順序)是指規定潛在存在歧義的情況下操作發生順序的語言規則。對于公共操作符,Groovy 依賴于 Java 優先級規則;對于自己的定制操作符,它定義自己的規則。Clojure 不具有或不需要優先級規則;因為所有代碼都以括號形式編寫,不再會出現中綴表示法中固有的歧義性。

Scala 使用操作符名稱的第一個字符來確定操作順序,優先層次是:

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

以較高級別字符開始的操作符具有較高的優先級。例如,表達式 x *** y ||| z 將分解為 (x.***(y)).|||(z)。該規則惟一的例外是分配語句,或者任何以等號 (=) 結尾的操作符,它們自動具有最低優先級。

結束語

Java 下一代語言的一個共同目標是,簡化那些影響著 Java 語言的繁瑣限制。操作符重載是每種語言解決這個問題的一個重要途徑。所有三種語言都允許操作符重載,只是實現的方式有所不同。處理關聯性和優先級這類問題的方式的細微差別表明了,各個語言部分是如何緊密聯系的。Clojure 的有趣方面之一是它的語法 — 因為每個表達式都是括號形式的 — 消除了優先級和關聯性中的歧義。

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

 

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

責任編輯:陳四芳 來源: developerWorks中國
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