Java 缺失的特性:操作符重載

来源:https://www.cnblogs.com/88223100/archive/2023/03/17/Javas-missing-feature-operator-overloading.html
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本文介紹了什麼是操作符重載、為什麼需要操作符重載、如何在Java中實現操作符重載以及一些建議。 什麼是操作符重載 操作符重載,就是把已經定義的、有一定功能的操作符進行重新定義,來完成更為細緻具體的運算等功能。從面向對象的角度說,就是可以將操作符定義為類的方法,使得該操作符的功能可以用來代表對象的某個 ...


本文介紹了什麼是操作符重載、為什麼需要操作符重載、如何在Java中實現操作符重載以及一些建議。

什麼是操作符重載

操作符重載,就是把已經定義的、有一定功能的操作符進行重新定義,來完成更為細緻具體的運算等功能。從面向對象的角度說,就是可以將操作符定義為類的方法,使得該操作符的功能可以用來代表對象的某個行為。

為什麼需要操作符重載

我們來考慮實現這樣的功能:使用 BigInteger 來實現的完全平方差公式(a^2 + 2ab + b^2)
private static final BigInteger BI_2 = BigInteger.valueOf(2);

常規寫法:

BigInteger res = a.multiply(a).subtract(BI_2.multiply(a).multiply(b)).add(b.multiply(b));

假設可以對 Java 中的 *、+、- 進行操作符重載,那麼我們就可以直接這樣寫:

BigInteger res = a * a - BI_2 * a * b + b * b;

所以,對於非原始類型的數值運算,如果能夠進行操作符重載,至少有 2 個好處:

  1. 代碼寫起來更簡單,不容易出錯
  2. 代碼更容易閱讀,不會一堆括弧嵌套

如何在 Java 中實現操作符重載

在 Java 中實現操作符重載,依然是使用我們的黑科技 Manifold[1]。Manifold 可以為 Java 提供各種場景操作符的重載功能,例如算數操作符(包括 +、-、*、/、%)、比較操作符(>、>=、<、<=、==、!=)、索引操作符(即 [])等。關於 Manifold 的集成,可以參考上一篇文章:Java 缺失的特性:擴展方法 

算數操作符

Manifold 是將每個算數操作符的重載,映射到特定名稱的函數。例如你在某個類 A 中定義了 plus(B) 的方法,那麼這個類就可以使用 a + b 代替 a.plus(b) 進行調用。具體的映射關係為:
圖片

—— 用過 Kotlin 的同學應該會會心一笑,這就是模仿的 Kotlin 的操作符重載。

為了方便舉例說明,我們定義一個數值類型 Num:


public class Num {

    private final int v;

    public Num(int v) {
        this.v = v;
    }

    public Num plus(Num that) {
        return new Num(this.v + that.v);
    }

    public Num minus(Num that) {
        return new Num(this.v - that.v);
    }

    public Num times(Num that) {
        return new Num(this.v * that.v);
    }
}

對於下麵的代碼:


Num a = new Num(1);
Num b = new Num(2);

Num c = a + b - a;

Manifold 在編譯期處理之後,會變成:

圖片

在數學運算上操作符存在優先順序,Manifold 當然也是支持的。所以對於這樣的代碼:
Num c = a + a * b - b;
Manifold 處理之後,則是:

圖片

而且因為 Java 支持方法重載,所以對於 plus 方法,可以接收多種類型的參數。
public class Num {

    ...

    public Num plus(Num that) {
        return new Num(this.v + that.v);
    }

    public Num plus(int i) {
        return new Num(v + i);
    }
}
這極大的增強了操作符重載的能力:
Num c = a + 1 + b;

在 Manifold 處理之後:

圖片

值得註意的是,因為 + 和 * 都是滿足交換律的,所以 a + b 首先會去對象 a 中尋找符合的 plus 方法,如果 a 中存在,則執行的是 a.plus(b);如果 a 中不存在,而 b 中存在符合的 plus 方法,則執行的是 b.plus(a)。a * b 同理。
Java 對原始類型中的數值支持複合賦值,即 +=、-= 這些,Manifold 也支持:
圖片
如果是現有的庫,不能直接給它的類加這些方法該怎麼辦?別忘了 Manifold 支持擴展方法的哦。

比較操作符

我們都知道,對於非原始類型的 Java 對象,進行大小的比較用的是 Comparable<T>。如果你的對象實現了 Comparable<T>,那麼恭喜你,Manifold 直接讓你擁有了 >、>=、<、<= 這四個比較操作符的重載:
圖片
我們讓 Num 實現 Comparable<Num>:

public class Num implements Comparable<Num> {

    ...
    
    @Override
    public int compareTo(Num that) {
        return this.v - that.v;
    }
}

那麼對於這樣的代碼:


Num a = new Num(1);
Num b = new Num(2);

if (a > b) {
    System.out.println("a > b");
}

if (a < b) {
    System.out.println("a < b");
}

運行代碼會輸出 a < b,因為代碼在被 Manifold 處理之後會變為:

圖片

你是不是激動的要問,那麼 == 和 != 呢,Manifold 支持了嗎?是的,我的朋友,它支持了(翻譯腔)。Manifold 提供了一個新的介面 ComparableUsing<T>,通過它你可以實現對 == 和 != 的重載。

圖片

ComparableUsing<T> 繼承了 Comparable<T> 介面,並且添加了兩個方法,compareToUsing 和 equalityMode。查看 comparableUsing 的預設實現:

圖片

可見對於 >、>=、<、<= 這四種操作符的重載,直接是使用 Comparable<T> 的 compareTo 的實現。而對於 == 和 !=,則是根據 equalityMode 方法的返回值,來選擇使用何種實現:

圖片

  • 如果是 
    EqualityMode.CompareTo
    ,則 
    ==
     和 
    !=
     的重載分別對應的是 
    compareTo
     方法返回值為 0 和 非0 的情況。
  • 如果是 
    EqualityMode.Equals
    ,則 
    ==
     和 
    !=
     的重載分別對應的是 
    equals
     方法返回值為 
    true
     和 
    false
     的情況。
  • 如果是 
    EqualityMode.Identity
    ,那使用的是 Java 的預設實現,即比較對象的引用地址是否相同。

而 equalityMode 預設的方法返回值為 EqualityMode.Equals,即 Manifold 預設使用 equals 方法來進行 == 和 != 的判斷。當然,你也可以不使用 Manifold 的 equalityMode 這套邏輯,直接實現自己的 compareUsing 方法,處理各種 Operator 的比較邏輯。

我們讓 Num 實現 ComparableUsing<Num> 介面,並覆寫 equals:

public class Num implements ComparableUsing<Num> {

    ...
    
    @Override
    public int compareTo(Num that) {
        return this.v - that.v;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) { return true; }

        if (obj instanceof Num) {
            Num that = (Num) obj;
            return this.v == that.v;
        }

        return false;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(v);
    }
}
則此時我們對 == 和 != 進行了重載,並且使用的是基於 equals 方法的實現。那麼對於下麵的代碼:

Num a = new Num(1);
Num b = new Num(1);

if (a == b) {
    System.out.println("a == b");
}

if (a != b) {
    System.out.println("a != b");
}
運行代碼會列印 a == b,因為 Manifold 處理之後的代碼會變為:

圖片

Amazing!我們終於實現了 N 年前的夢想,讓 == 和 != 是使用 equals 方法的邏輯進行比較,而不是比較引用地址。
你應該也發現了,如果某個類型 T 要實現 ComparableUsing<T>,那麼說明 T 一定是 Comparable<T>。也就是說,如果你想要對 T 重載 == 和 !=,則要求 T 一定是可比較的。Manifold 之所以這樣做,而不是為重載 == 和 != 提供單獨的介面,是因為作者目前認為用 == 和 != 來代替 equals,弊大於利 —— 畢竟用 equals 來比較兩個對象是否相等這件事,在 Java 中太深入人心了。所以目前 Manifold 作者希望大家只對數值和量詞這類的對象使用 == 和 !=,不要產生濫用行為。
如果是現有的庫,比如 String、BigInteger,不能直接給它的類新增介面實現怎麼辦?你可以給這個類建一個擴展類,然後讓擴展類實現 ComparableUsing<T>,然後 Manifold 會按照這個類實現了 ComparableUsing<T> 進行處理。比如 Manifold 對於 BigInteger 的擴展類 ManBigIntegerExt(位於 manifold-science 庫中):

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它以擴展方法的形式,提供了自定義邏輯的 compareUsing 實現:

圖片

註意,這個時候要用 abstract 關鍵字修飾擴展類,因為它不是真的要以常規方式來實現 ComparableUsing<T> 介面。或者,你也可以把擴展類聲明為介面,然後繼承 ComparableUsing<T> 介面。

 

索引操作符

 

Java 對數組是支持索引操作符的,比如 nums[i] 是訪問數組索引為 i 的元素,nums[i] = n 是對數組索引為 i 的位置進行賦值。但對 List 和 Map,Java 說 “不好意思,因為我是 Java,這個支持不了”。所以 Manifold 又出手了,讓你不再只能羡慕其他語言。
圖片
因為 java.util.List 已經具備了這兩個方法,所以有了 Manifold,你可以這樣寫代碼:

圖片

而 Map 只有 get 方法,沒有 set 方法,所以你可以在 Map 擴展類裡面,加一個 set:

@Extension
public class MapExt {

    public static <K, V> V set(@This Map<K, V> map, K key, V value) {
        return map.put(key, value);
    }
}

然後我們就可以這樣寫代碼了:

圖片

簡直不要太爽!需要註意的是,Manifold 對 set 方法是有要求的:set 方法的返回值不能為 void,並且應該返回和第二個參數一樣類型的值(一般是返回舊值)。之所以有這樣的要求,是為了和 Java 本身的數組的索引賦值表達式保持一致(如果 set 返回的是 void,索引賦值表達式就無法支持了)。在 Java 中,你可以這樣賦值:

int[] nums = {1, 2, 3};
int value = nums[0] = 10;
執行完成之後,num[0] 和 value,都會是 10。所以,當我們使用索引賦值表達式的時候:

List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c");
String value = list[0] = "A";

Manifold 處理之後,代碼會變成:

圖片

因而類似於 T value = list[0] = obj 的表達式,執行完之後 value 不是 set 方法的返回值,而是最右側的值。

單位操作符

Manifold 還提供一種非常有意思的功能:單位操作符。顧名思義,就是我們可以在代碼中提供“單位”功能。比如下麵這種代碼:

圖片

你是不是已經驚呆了?我第一次見到的時候也是滿腦子“還能這樣操作”的驚奇。而這個 dt,就是“單位”。查看 Manifold 處理後的代碼:

圖片

也就是說 Manifold 將 "xxx"dt 替換為了 dt.postfixBind("xxx"),那麼你也就可以猜到 DateTimeUnit 類的代碼:

public class DateTimeUnit {

    private static final 
    DateTimeFormatter FORMATTER = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public LocalDateTime postfixBind(String value) {
        return LocalDateTime.parse(value, FORMATTER);
    }
}

postfixBind 表示這個單位是“尾碼單位”,就是你看到的 "xxx"dt,dt 在 "xxx" 的後面。Manifold 同時也支持“首碼單位”,對應的方法是 prefixBind,比如:


public class DateTimeUnit {

    ...

    public LocalDateTime prefixBind(String value) {
        return LocalDateTime.parse(value, FORMATTER);
    }
}

添加了 prefixBind(String) 後,那麼就可以這樣定義 LocalDateTime:

圖片

Amazing!有了“單位”功能,我們就可以做出很多實用的“字面量”功能。比如定義 BigInteger 的“單位”:

public class BigIntegerUnit {

    public BigInteger postfixBind(Integer value) {
        return BigInteger.valueOf(value);
    }

    public BigInteger postfixBind(String value) {
        return new BigInteger(value);
    }
}

配合 Manifold 的 auto(類似於 Java10 提供的 var,但是 auto 還可以用來定義屬性):

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誰還會認為你用的是 Java8?對於不知道 Manifold 的同事,你和他說你用的是一門新的名叫 Java888 的語言,他都會相信的 :)。而且我們還可以將 postfixBind 和 prefixBind 放在一起使用,比如提供下麵的類:
public class MapEntryBuilder {

    public <K> EntryKey<K> postfixBind(K key) {
        return new EntryKey<>(key);
    }

    public static class EntryKey<K> {

        private final K key;

        public EntryKey(K key) {
            this.key = key;
        }

        public <V> Map.Entry<K, V> prefixBind(V value) {
            return new AbstractMap.SimpleImmutableEntry<>(key, value);
        }
    }
}

那麼,便可以通過下麵這種方式來創建 Map.Entry(先通過 to.postfixBind 創建 EntryKey,再通過 EntryKey 的 prefixBind 方法創建 Map.Entry):

圖片
如果我們再為 Map 提供如下靜態擴展方法:

@Extension
public class MapExt {

    @Extension
    @SafeVarargs
    public static <K, V> Map<K, V> of(Map.Entry<K, V>... entries) {
        Map<K, V> map = new LinkedHashMap<>(entries.length);

        for (Map.Entry<K, V> entry : entries) {
            map.put(entry.getKey(), entry.getValue());
        }

        return Collections.unmodifiableMap(map);
    }
}

那麼你可以這樣創建 Map:

圖片

建議

Java 一直以來都不支持操作符重載,肯定是有其原因的。作為一門之前主打企業應用開發的語言,確實操作符重載不是必要的。但隨著硬體的發展,我們也看到 Java 越來越多的出現在數據科學/高性能計算的領域,同時 Java 也開始嘗試提供值類型:Project Valhalla[2]。所以,也許在不久後的將來,隨著值類型在計算方面的廣泛應用,在 Java 中提供操作符重載的呼聲會越來越高,進而被 JCP 採納。而 Manifold 作為先驅者,提前讓我們可以體驗未來的 Java,幸甚至哉!
當然,和擴展方法一樣,如果決定在項目中採用 Manifold 提供操作符重載,我們一定要做到“管住自己的手”。當想要添加某個操作符重載時,一定要先問自己一遍 “這個類是否具備該操作符對應語義的功能,用操作符寫的代碼是否會降低代碼可讀性”。
參考鏈接:

[1]https://github.com/manifold-systems/manifold

[2]https://openjdk.org/jeps/8277163

 

作者|周密(之葉)

本文來自博客園,作者:古道輕風,轉載請註明原文鏈接:https://www.cnblogs.com/88223100/p/Javas-missing-feature-operator-overloading.html


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