Effective Java 第三版——52. 明智而审慎地使用重载

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书中的源代码地址:https://github.com/jbloch/effective-java-3e-source-code
注意,书中的有些代码里方法是基于Java 9 API中的,所以JDK 最好下载 JDK 9以上的版本。

52. 明智而审慎地使用重载

下面的程序是一个善意的尝试,根据Set、List或其他类型的集合对它进行分类:

// Broken! - What does this program print?

public class CollectionClassifier {

    public static String classify(Set<?> s) {
        return \"Set\";
    }

    public static String classify(List<?> lst) {
        return \"List\";
    }

    public static String classify(Collection<?> c) {
        return \"Unknown Collection\";
    }

    public static void main(String[] args) {
        Collection<?>[] collections = {
            new HashSet<String>(),
            new ArrayList<BigInteger>(),
            new HashMap<String, String>().values()
        };

        for (Collection<?> c : collections)
            System.out.println(classify(c));
    }

}

您可能希望此程序打印Set,然后是List和Unknown Collection字符串,实际上并没有。 而是打印了三次Unknown Collection字符串。 为什么会这样? 因为classify方法被重载了,在编译时选择要调用哪个重载方法。 对于循环的所有三次迭代,参数的编译时类型是相同的:Collection<?>。 运行时类型在每次迭代中都不同,但这不会影响对重载方法的选择。 因为参数的编译时类型是Collection<?>,,所以唯一适用的重载是第三个classify(Collection<?> c)方法,并且在循环的每次迭代中调用这个重载。

此程序的行为是违反直觉的,因为重载(overridden)方法之间的选择是静态的,而重写(overridden)方法之间的选择是动态的。 根据调用方法的对象的运行时类型,在运行时选择正确版本的重写方法。 作为提醒,当子类包含与父类中具有相同签名的方法声明时,会重写此方法。 如果在子类中重写实例方法并且在子类的实例上调用,则无论子类实例的编译时类型如何,都会执行子类的重写方法。 为了具体说明,请考虑以下程序:

class Wine {
    String name() { return \"wine\"; }
}

class SparklingWine extends Wine {
    @Override String name() { return \"sparkling wine\"; }
}

class Champagne extends SparklingWine {
    @Override String name() { return \"champagne\"; }
}

public class Overriding {
    public static void main(String[] args) {
        List<Wine> wineList = List.of(
            new Wine(), new SparklingWine(), new Champagne());

        for (Wine wine : wineList)
            System.out.println(wine.name());
    }

}

name方法在Wine类中声明,并在子类SparklingWineChampagne中重写。 正如你所料,此程序打印出wine,sparkling wine和champagne,即使实例的编译时类型在循环的每次迭代中都是Wine。 当调用重写方法时,对象的编译时类型对执行哪个方法没有影响; 总是会执行“最具体(most specific)”的重写方法。 将此与重载进行比较,其中对象的运行时类型对执行的重载没有影响; 选择是在编译时完成的,完全基于参数的编译时类型。

CollectionClassifier示例中,程序的目的是通过基于参数的运行时类型自动调度到适当的方法重载来辨别参数的类型,就像Wine类中的name方法一样。 方法重载根本不提供此功能。 假设需要一个静态方法,修复CollectionClassifier程序的最佳方法是用一个执行显式instanceof测试的方法替换classify的所有三个重载:

  public static String classify(Collection<?> c) {
    return c instanceof Set  ? \"Set\" :
           c instanceof List ? \"List\" : \"Unknown Collection\";
}

因为重写是规范,而重载是例外,所以重写设置了人们对方法调用行为的期望。 正如CollectionClassifier示例所示,重载很容易混淆这些期望。 编写让程序员感到困惑的代码的行为是不好的实践。 对于API尤其如此。 如果API的日常用户不知道将为给定的参数集调用多个方法重载中的哪一个,则使用API可能会导致错误。 这些错误很可能表现为运行时的不稳定行为,许多程序员很难诊断它们。 因此,应该避免混淆使用重载

究竟是什么构成了重载的混乱用法还有待商榷。一个安全和保守的策略是永远不要导出两个具有相同参数数量的重载。如果一个方法使用了可变参数,除非如第53条目所述,保守策略是根本不重载它。如果遵守这些限制,程序员就不会怀疑哪些重载适用于任何一组实际参数。这些限制并不十分繁重,因为总是可以为方法赋予不同的名称,而不是重载它们

例如,考虑ObjectOutputStream类。对于每个基本类型和几个引用类型,它都有其write方法的变体。这些变体都有不同的名称,例如writeBoolean(boolean)writeInt(int)writeLong(long),而不是重载write方法。与重载相比,这种命名模式的另一个好处是,可以为read方法提供相应的名称,例如readBoolean()readInt()readLong()ObjectInputStream类实际上提供了这样的读取方法。

对于构造方法,无法使用不同的名称:类的多个构造函数总是被重载。 在许多情况下,可以选择导出静态工厂而不是构造方法(条目1)。 此外,使用构造方法,不必担心重载和重写之间的影响,因为构造方法不能被重写。 你可能有机会导出具有相同数量参数的多个构造函数,因此知道如何安全地执行它是值得的。

如果总是清楚哪个重载将应用于任何给定的实际参数集,那么用相同数量的参数导出多个重载不太可能让程序员感到困惑。在这种情况下,每对重载中至少有一个对应的形式参数在这两个重载中具有“完全不同的”类型。如果显然不可能将任何非空表达式强制转换为这两种类型,那么这两种类型是完全不同的。在这些情况下,应用于给定实际参数集的重载完全由参数的运行时类型决定,且不受其编译时类型的影响,因此消除了一个主要的混淆。例如,ArrayList有一个接受int的构造方法和第二个接受Collection的构造方法。很难想象在任何情况下,这两个构造方法在调用时哪个会产生混淆。

在Java 5之前,所有基本类型都与引用类型完全不同,但在自动装箱存在的情况下,则并非如此,并且它已经造成了真正的麻烦。 考虑以下程序:

public class SetList {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Integer> set = new TreeSet<>();
        List<Integer> list = new ArrayList<>();

        for (int i = -3; i < 3; i++) {
            set.add(i);
            list.add(i);
        }

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            set.remove(i);
            list.remove(i);
        }

        System.out.println(set + \" \" + list);
    }
}

首先,程序将从-3到2的整数添加到有序集合和列表中。 然后,它在集合和列表上进行三次相同的remove方法调用。 如果你和大多数人一样,希望程序从集合和列表中删除非负值(0,1和2)并打印[-3,-2,-1] [ - 3,-2,-1]。 实际上,程序从集合中删除非负值,从列表中删除奇数值,并打印[-3,-2,-1] [-2,0,2]。 称这种混乱的行为是一种保守的说法。

实际情况是:调用set.remove(i)选择重载remove(E)方法,其中Eset (Integer)的元素类型,将基本类型i由int自动装箱为Integer中。这是你所期望的行为,因此程序最终会从集合中删除正值。另一方面,对list.remove(i)的调用选择重载remove(int i)方法,它将删除列表中指定位置的元素。如果从列表[-3,-2,-1,0,1,2]开始,移除第0个元素,然后是第1个,然后是第二个,就只剩下[-2,0,2],谜底就解开了。若要修复此问题,请强制转换list.remove的参数为Integer类型,迫使选择正确的重载。或者,也可以调用Integer.valueOf(i),然后将结果传递给list.remove方法。无论哪种方式,程序都会按预期打印[-3,-2,-1][-3,-2,-1]:

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    set.remove(i);
    list.remove((Integer) i);  // or remove(Integer.valueOf(i))
}

前一个示例所演示的令人混乱的行为是由于List<E>接口对remove方法有两个重载:remove(E)remove(int)。在Java 5之前,当List接口被“泛型化”时,它有一个remove(Object)方法代替remove(E),而相应的参数类型Object和int则完全不同。但是,在泛型和自动装箱的存在下,这两种参数类型不再完全不同了。换句话说,在语言中添加泛型和自动装箱破坏了List接口。幸运的是,Java类库中的其他API几乎没有受到类似的破坏,但是这个故事清楚地表明,自动装箱和泛型在重载时增加了谨慎的重要性。

在Java 8中添加lambda表达式和方法引用以后,进一步增加了重载混淆的可能性。 例如,考虑以下两个代码片段:

new Thread(System.out::println).start();

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

exec.submit(System.out::println);

虽然Thread构造方法调用和submit方法调用看起来很相似,但是前者编译而后者不编译。参数是相同的(System.out::println),两者都有一个带有Runnable的重载。这里发生了什么?令人惊讶的答案是,submit方法有一个带有Callable <T>参数的重载,而Thread构造方法却没有。你可能认为这不会有什么区别,因为println方法的所有重载都会返回void,因此方法引用不可能是Callable
。这很有道理,但重载解析算法不是这样工作的。也许同样令人惊讶的是,如果println方法没有被重载,那么submit方法调用是合法的。正是被引用的方法(println)的重载和被调用的方法(submit)相结合,阻止了重载解析算法按照你所期望的方式运行。

从技术上讲,问题是System.out :: println是一个不精确的方法引用[JLS,15.13.1],并且『包含隐式类型的lambda表达式或不精确的方法引用的某些参数表达式被适用性测试忽略,因为在选择目标类型之前无法确定它们的含义[JLS,15.12.2]。』如果你不理解这段话也不要担心; 它针对的是编译器编写者。 关键是在同一参数位置中具有不同功能接口的重载方法或构造方法会导致混淆。 因此,不要在相同参数位置重载采用不同函数式接口的方法。 在此条目的说法中,不同的函数式接口并没有根本不同。 如果传递命令行开关-Xlint:overloads,Java编译器将警告这种有问题的重载。

数组类型和Object以外的类是完全不同的。此外,除了SerializableCloneable之外,数组类型和其他接口类型也完全不同。如果两个不同的类都不是另一个类的后代[JLS, 5.5],则称它们是不相关的。例如,StringThrowable是不相关的。任何对象都不可能是两个不相关类的实例,所以不相关的类也是完全不同的。

还有其他『类型对(pairs of types)』不能在任何方向转换[JLS, 5.1.12],但是一旦超出上面描述的简单情况,大多数程序员就很难辨别哪些重载(如果有的话)适用于一组实际参数。决定选择哪个重载的规则非常复杂,并且随着每个版本的发布而变得越来越复杂。很少有程序员能理解它们所有的微妙之处。

有时候,可能觉得有必要违反这一条目中的指导原则,特别是在演化现有类时。例如,考虑String,它从Java 4开始就有一个contenttequals (StringBuffer)方法。在Java 5中,添加了CharSequence接口,来为StringBufferStringBuilderStringCharBuffer和其他类似类型提供公共接口。在添加CharSequence的同时,String还配备了一个重载的contenttequals方法,该方法接受CharSequence参数。

虽然上面的重载明显违反了此条目中的指导原则,但它不会造成任何危害,因为当在同一个对象引用上调用这两个重载方法时,它们做的是完全相同的事情。程序员可能不知道将调用哪个重载,但只要它们的行为相同,就没有什么后果。确保这种行为的标准方法是,将更具体的重载方法调用转发给更一般的重载方法:

// Ensuring that 2 methods have identical behavior by forwarding

public boolean contentEquals(StringBuffer sb) {
    return contentEquals((CharSequence) sb);
}

虽然Java类库在很大程度上遵循了这一条目中的建议,但是有一些类违反了它。例如,String导出两个重载的静态工厂方法valueOf(char[])valueOf(Object),它们在传递相同的对象引用时执行完全不同的操作。对此没有任何正当的理由理由,它应该被视为一种异常现象,有可能造成真正的混乱。

总而言之,仅仅可以重载方法并不意味着应该这样做。通常,最好避免重载具有相同数量参数的多个签名的方法。在某些情况下,特别是涉及构造方法的情况下,可能无法遵循此建议。在这些情况下,至少应该避免通过添加强制转换将相同的参数集传递给不同的重载。如果这是无法避免的,例如,因为要对现有类进行改造以实现新接口,那么应该确保在传递相同的参数时,所有重载的行为都是相同的。如果做不到这一点,程序员将很难有效地使用重载方法或构造方法,也无法理解为什么它不能工作。

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