Scala 3 — Book

OOP 领域建模

Language

    本章介绍了在 Scala 3 中使用面向对象编程 (OOP) 进行领域建模。

    介绍

    Scala 为面向对象设计提供了所有必要的工具：

    • Traits 让您指定（抽象）接口以及具体实现。
    • Mixin Composition 为您提供了从较小的部分组成组件的工具。
    • 类可以实现trait指定的接口。
    • 类的实例可以有自己的私有状态。
    • Subtyping 允许您在需要超类实例的地方使用一个类的实例。
    • 访问修饰符允许您控制类的哪些成员可以被代码的哪个部分访问。

    Traits

    可能与支持 OOP 的其他语言（例如 Java）不同，Scala 中分解的主要工具不是类，而是trait。 它们可以用来描述抽象接口，例如：

    trait Showable {
  def show: String
}

    trait Showable:
  def show: String

    并且还可以包含具体的实现：

    trait Showable {
  def show: String
  def showHtml = "<p>" + show + "</p>"
}

    trait Showable:
  def show: String
  def showHtml = "<p>" + show + "</p>"

    你可以看到我们用抽象方法 show 来定义方法 showHtml。

    Odersky and Zenger 展示了 面向服务的组件模型 和视图：

    • 抽象成员作为_必须_服务：它们仍然需要由子类实现。
    • 具体成员作为_提供_服务：它们被提供给子类。

    我们已经可以在 Showable 的示例中看到这一点：定义一个扩展 Showable 的类 Document，我们仍然必须定义 show，但我们提供了 showHtml：

    class Document(text: String) extends Showable {
  def show = text
}

    class Document(text: String) extends Showable:
  def show = text

    抽象成员

    抽象方法并不是trait中唯一可以抽象的东西。 一个trait可以包含：

    • 抽象方法（def m(): T）
    • 抽象值定义（val x: T）
    • 抽象类型成员（type T），可能有界限（type T <: S）
    • 抽象given（given t: T） Scala 3 only

    上述每个特性都可用于指定对 trait 实现者的某种形式的要求。

    混入组合

    traits 不仅可以包含抽象和具体的定义，Scala 还提供了一种组合多个 trait 的强大方法：这个特性通常被称为 混入组合。

    让我们假设以下两个（可能独立定义的）traits：

    trait GreetingService {
  def translate(text: String): String
  def sayHello = translate("Hello")
}

trait TranslationService {
  def translate(text: String): String = "..."
}

    trait GreetingService:
  def translate(text: String): String
  def sayHello = translate("Hello")

trait TranslationService:
  def translate(text: String): String = "..."

    要组合这两个服务，我们可以简单地创建一个扩展它们的新trait：

    trait ComposedService extends GreetingService with TranslationService

    trait ComposedService extends GreetingService, TranslationService

    一个 trait 中的抽象成员（例如 GreetingService 中的 translate）会自动与另一个 trait 中的具体成员匹配。 这不仅适用于本例中的方法，而且适用于上述所有其他抽象成员（即类型、值定义等）。

    类

    Traits 非常适合模块化组件和描述接口（必需和提供）。 但在某些时候，我们会想要创建它们的实例。 在 Scala 中设计软件时，只考虑在继承模型的叶子中使用类通常很有帮助：

    Traits T1, T2, T3
    组合traits S1 extends T1 with T2, S2 extends T2 with T3
    类 C extends S1 with T3
    实例 new C()
    Traits T1, T2, T3
    组合 traits S extends T1, T2, S extends T2, T3
    类 C extends S, T3
    实例 C()

    在 Scala 3 中更是如此，trait 现在也可以接受参数，进一步消除了对类的需求。

    定义类

    像trait一样，类可以扩展多个trait（但只有一个超类）：

    class MyService(name: String) extends ComposedService with Showable {
  def show = s"$name says $sayHello"
}

    class MyService(name: String) extends ComposedService, Showable:
  def show = s"$name says $sayHello"

    子类型化

    我们可以创建一个 MyService 的实例，如下所示：

    val s1: MyService = new MyService("Service 1")

    val s1: MyService = MyService("Service 1")

    通过子类型化的方式，我们的实例 s1 可以在任何扩展了trait的地方使用：

    val s2: GreetingService = s1
val s3: TranslationService = s1
val s4: Showable = s1
// ... and so on ...

    扩展规划

    如前所述，可以扩展另一个类：

    class Person(name: String)
class SoftwareDeveloper(name: String, favoriteLang: String)
  extends Person(name)

    然而，由于 traits 被设计为主要的分解手段，在一个文件中定义的类_不能_在另一个文件中扩展。 为了允许这样做，需要将基类标记为 open：

    open class Person(name: String)

    用 open 标记类是 Scala 3 的一个新特性。必须将类显式标记为开放可以避免面向对象设计中的许多常见缺陷。 特别是，它要求库设计者明确计划扩展，例如用额外的扩展契约来记录那些被标记为开放的类。

    实例和私有可变状态

    与其他支持 OOP 的语言一样，Scala 中的trait和类可以定义可变字段：

    class Counter {
  // can only be observed by the method `count`
  private var currentCount = 0

  def tick(): Unit = currentCount += 1
  def count: Int = currentCount
}

    class Counter:
  // can only be observed by the method `count`
  private var currentCount = 0

  def tick(): Unit = currentCount += 1
  def count: Int = currentCount

    Counter 类的每个实例都有自己的私有状态，只能通过方法 count 观察到，如下面的交互所示：

    val c1 = new Counter()
c1.count // 0
c1.tick()
c1.tick()
c1.count // 2

    val c1 = Counter()
c1.count // 0
c1.tick()
c1.tick()
c1.count // 2

    访问修饰符

    默认情况下，Scala 中的所有成员定义都是公开可见的。 要隐藏实现细节，可以将成员（方法、字段、类型等）定义为 private 或 protected。 通过这种方式，您可以控制访问或覆盖它们的方式。 私有成员仅对类/trait本身及其伴生对象可见。 受保护的成员对类的子类也是可见的。

    高级示例：面向服务的设计

    在下文中，我们展示了 Scala 的一些高级特性，并展示了如何使用它们来构建更大的软件组件。 这些示例改编自 Martin Odersky 和 ​​Matthias Zenger 的论文 “Scalable Component Abstractions”。 如果您不了解示例的所有细节，请不要担心；它的主要目的是演示如何使用多种类型特性来构造更大的组件。

    我们的目标是定义一个_种类丰富_的软件组件，而对组件的细化，可以放到以后的实现中 具体来说，以下代码将组件 SubjectObserver 定义为具有两个抽象类型成员的trait， S （用于主题）和 O （用于观察者）：

    trait SubjectObserver {

  type S <: Subject
  type O <: Observer

  trait Subject { self: S =>
    private var observers: List[O] = List()
    def subscribe(obs: O): Unit = {
      observers = obs :: observers
    }
    def publish() = {
      for ( obs <- observers ) obs.notify(this)
    }
  }

  trait Observer {
    def notify(sub: S): Unit
  }
}

    trait SubjectObserver:

  type S <: Subject
  type O <: Observer

  trait Subject:
    self: S =>
      private var observers: List[O] = List()
      def subscribe(obs: O): Unit =
        observers = obs :: observers
      def publish() =
        for obs <- observers do obs.notify(this)

  trait Observer:
    def notify(sub: S): Unit

    有几件事需要解释。

    抽象类型成员

    声明 type S <: Subject 表示在 trait SubjectObserver 中我们可以引用一些我们称为 S 的_未知_（即抽象）类型。 然而，该类型并不是完全未知的：我们至少知道它是trait Subject 的_某个子类型_。 只要选择的类型是 Subject 的子类型，所有扩展自 SubjectObserver 的trait和类都可以自由地用于 S的类型。 声明的 <: Subject 部分也称为 S 的上界。

    嵌套trait

    在 trait SubjectObserver 内，我们定义了另外两个traits。 让我们从 trait Observer 开始，它只定义了一个抽象方法 notify，它接受一个类型为 S 的参数。 正如我们稍后将看到的，重要的是参数的类型为 S 而不是 Subject 类型。

    第二个trait，Subject，定义了一个私有字段observers来存储所有订阅这个特定主题的观察者。 订阅主题只是将对象存储到此列表中。 同样，参数 obs 的类型是 O，而不是 Observer。

    自类型注解

    最后，你可能想知道 trait Subject 上的 self: S => 应该是什么意思。 这称为 自类型注解。 它要求 Subject 的子类型也是 S 的子类型。 这对于能够使用 this 作为参数调用 obs.notify 是必要的，因为它需要 S 类型的值。 如果 S 是一个_具体_类型，自类型注解可以被 trait Subject extends S 代替。

    实现组件

    我们现在可以实现上述组件并将抽象类型成员定义为具体类型：

    object SensorReader extends SubjectObserver {
  type S = Sensor
  type O = Display

  class Sensor(val label: String) extends Subject {
    private var currentValue = 0.0
    def value = currentValue
    def changeValue(v: Double) = {
      currentValue = v
      publish()
    }
  }

  class Display extends Observer {
    def notify(sub: Sensor) =
      println(s"${sub.label} has value ${sub.value}")
  }
}

    object SensorReader extends SubjectObserver:
  type S = Sensor
  type O = Display

  class Sensor(val label: String) extends Subject:
    private var currentValue = 0.0
    def value = currentValue
    def changeValue(v: Double) =
      currentValue = v
      publish()

  class Display extends Observer:
    def notify(sub: Sensor) =
      println(s"${sub.label} has value ${sub.value}")

    具体来说，我们定义了一个扩展 SubjectObserver 的_单例_对象 SensorReader。 在 SensorReader 的实现中，我们说 S 类型现在被定义为 Sensor 类型，O 类型被定义为等于 Display 类型。 Sensor 和 Display 都被定义为 SensorReader 中的嵌套类，相应地实现了 Subject 和 Observer 特性。

    除了作为面向服务设计的示例之外，这段代码还突出了面向对象编程的许多方面：

    • Sensor 类引入了它自己的私有状态（currentValue），并在方法changeValue 后面封装了对状态的修改。
    • changeValue 的实现使用扩展trait中定义的方法 publish。
    • 类 Display 扩展了 Observer 特性，并实现了缺失的方法 notify。

    有一点很重要，需要指出，notify 的实现只能安全地访问 sub 的标签和值，因为我们最初将参数声明为 S 类型。

    使用组件

    最后，下面的代码说明了如何使用我们的 SensorReader 组件：

    import SensorReader._

// setting up a network
val s1 = new Sensor("sensor1")
val s2 = new Sensor("sensor2")
val d1 = new Display()
val d2 = new Display()
s1.subscribe(d1)
s1.subscribe(d2)
s2.subscribe(d1)

// propagating updates through the network
s1.changeValue(2)
s2.changeValue(3)

// prints:
// sensor1 has value 2.0
// sensor1 has value 2.0
// sensor2 has value 3.0


    import SensorReader.*

// setting up a network
val s1 = Sensor("sensor1")
val s2 = Sensor("sensor2")
val d1 = Display()
val d2 = Display()
s1.subscribe(d1)
s1.subscribe(d2)
s2.subscribe(d1)

// propagating updates through the network
s1.changeValue(2)
s2.changeValue(3)

// prints:
// sensor1 has value 2.0
// sensor1 has value 2.0
// sensor2 has value 3.0

    借助我们掌握的所有面向对象的编程工具，在下一节中，我们将演示如何以函数式风格设计程序。

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