Java 缺失的特性：操作符重載

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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）：

圖片

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）：

圖片

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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