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封闭类：刹住失控的扩展性

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于如何刹住失控的扩展性：封闭类。

封闭类这个特性，首先在 JDK 15 中以预览版的形式发布。

在 JDK 16 中，改进的封闭类再次以预览版的形式发布。

最后，封闭类在 JDK 17 正式发布。

那么，什么是封闭类呢？封闭类的英文，使用的词汇是"sealed classes"。

从名字我们就可以感受到，封闭类首先是 Java 的类，然后它还是封闭的。

Java 的类，我们都知道什么意思。那么，“封闭”又是什么意思呢？

字面的意思，就是把一些东西封存起来，里面的东西出不去，外面的东西也进不来，所以可查可数。

一、阅读案例

在面向对象的编程语言中，研究表示形状的类，是一个常用的教学案例。

下面的这段代码，就是一个简单的、抽象的形状类的定义。

这个抽象类的名字是 Shape。

它有一个抽象方法 area()，用来计算形状的面积。它还有一个公开的属性 id，用来标识这个形状的对象。

public abstract class Shape {
    public final String id;
    
    public Shape(String id) {
        this.id = id;
    }
    
    public abstract double area();
}

我们都知道，正方形是一个形状。

正方形可以作为形状这个类的一个扩展类。

它的代码可以是下面的样子。

public class Square extends Shape {
    public final double side;
    
    public Square(String id, double side) {
        super(id);
        this.side = side;
    }
    
    @Override
    public double area() {
        return side * side;
    }
}

那么，到底怎么判断一个形状是不是正方形呢？

这个问题的答案，表面上看起来很简单，只要判断这个形状的对象是不是一个正方形的实例就可以了。

这个判断的例子，看起来可以是下面的样子。

static boolean isSquare(Shape shape) {
    return (shape instanceof Square);
}

你可以思考一下，这样是不是真的能判断一个形状是正方形？

花几秒钟想想你的答案。

二、案例分析

其实，上面的这个例子，判断的只是“一个形状的对象是不是一个正方形的实例”。

但实际上，一个形状的对象即使不是一个正方形的类，它也有可能是一个正方形。

什么意思呢？

比如说有一个对象，表示它的类是长方形或者菱形的类。

如果这个对象的每一个边的长度都是一样的，其实它就是一个正方形，但是表示它的类是长方形或者菱形的类，而不是正方形类。

所以，上面的这段代码还是有缺陷的，并不总是能够正确判断一个形状是不是正方形。详细地，我们来看下一段代码，你就对这个缺陷有一个更直观的了解了。

我们都知道，长方形也是一个形状，它也可以作为形状这个类的一个扩展类。

下面的这段代码，定义的就是一个长方形。这个类的名字是 Rectangle，它是 Shape 的扩展类。

public class Rectangle extends Shape {
    public final double length;
    public final double width;
    
    public Rectangle(String id, double length, double width) {
        super(id);
        this.length = length;
        this.width = width;
    }
    
    @Override
    public double area() {
        return length * width;
    }
}

代码读到这里，对于“怎么判断一个形状是不是正方形”这个问题，我觉得你可能已经有了一个更好的思路。

没错，正方形是一个特殊的长方形。如果一个长方形的长和宽是相等的，那么它也是一个正方形。

上面的那段“判断一个形状是不是正方形”的代码，就没有考虑到长方形的特例，所以它是有缺陷的实现。

知道了长方形这个类，我们就能改进我们的判断了。

改进的代码，要把长方形考虑进去。它看起来可以是下面的样子。

public static boolean isSquare(Shape shape) {
    if (shape instanceof Rectangle rect) {
        return (rect.length == rect.width);
    }
    
    return (shape instanceof Square);
}

写完上面的代码，似乎就可以长舒一口气：哎，这难缠的正方形，我们终于搞定了。

但其实，这个问题我们还没有搞定。因为正方形也是一个特殊的菱形，如果一个对象是一个菱形类的实例，上面的代码就有缺陷。更令人窘迫的是，正方形还是一个特殊的梯形，还是一个特殊的多边形。

随着我们学习一步一步的深入，我们知道还有很多形状的特殊形式是正方形，而且我们并不知道我们知识范围外的那些形状，当然更不能提穷举它们了。

这，实在有点让人抓狂！问题出在哪里呢？无限制的扩展性，是问题的根源。

正如现实世界里，我们没有办法穷举到底有多少形状的特殊形式是正方形；在计算机的世界里，我们也没有办法穷举到底有多少形状的对象可以是正方形。

如果我们解决不了形状类的穷举问题，我们就不太容易使用代码来判断一个形状是不是正方形。

而解决问题的办法，就是限制可扩展类的扩展性。

三、怎么限制住扩展性？

可扩展性不是面向对象编程的一个重要指标吗？

为什么要限制可扩展性呢？

其实，面向对象编程的最佳实践之一，就是要把可扩展性限制在可以预测和控制的范围内，而不是无限的可扩展性。

一个可扩展的类，子类和父类可能会相互影响，从而导致不可预知的行为。涉及敏感信息的类，增加可扩展性不一定是个优先选项，要尽量避免父类或者子类的影响。

虽然我们使用了 Java 语言来讨论继承的问题，但其实这些是面向对象机制的普遍问题，甚至它们也不单单是面向对象语言的问题，比如使用 C 语言的设计和实现，也存在类似的问题。

由于继承的安全问题，我们在设计 API 时，有两个要反省思考的点：

一个类，有没有真实的可扩展需求，能不能使用 final 修饰符？
一个方法，子类有没有重写的必要性，能不能使用 final 修饰符？

限制住不可预测的可扩展性，是实现安全代码、健壮代码的一个重要目标。JDK 17 之前的 Java 语言，限制住可扩展性只有两个方法，使用私有类或者 final 修饰符。

显而易见，私有类不是公开接口，只能内部使用；

而 final 修饰符彻底放弃了可扩展性。

要么全开放，要么全封闭，可扩展性只能在可能性的两个极端游走。全封闭彻底没有了可扩展性，全开放又面临固有的安全缺陷，这种二选一的状况有时候很让人抓狂，特别是设计公开接口的时候。

JDK 17 之后，有了第三种方法。

这个办法，就是使用 Java 的 sealed 关键字。使用类修饰符 sealed 修饰的类是封闭类；

使用类修饰符 sealed 修饰的接口是封闭接口。

封闭类和封闭接口限制可以扩展或实现它们的其他类或接口。

通过把可扩展性的限制放在可以预测和控制的范围内，封闭类和封闭接口打开了全开放和全封闭两个极端之间的中间地带，为接口设计和实现提供了新的可能性。

四、怎么声明封闭类

那么，怎么使用封闭类呢？

封闭类这个概念，涉及到两种类型的类。

第一种是被扩展的父类，第二种是扩展而来的子类。

通常地，我们把第一种称为封闭类，第二种称为许可类。

封闭类的声明使用 sealed 类修饰符，然后在所有的 extends 和 implements 语句之后，使用 permits 指定允许扩展该封闭类的子类。

比如，使用 sealed 类修饰符，我们可以把形状这个类声明为封闭类。

下面的这个例子中，Shape 是一个封闭类，可以扩展它的子类只有两个，分别为 Circle 和 Square。

也就是说，这里定义的形状这个类，只允许有圆形和正方形两个子类。

public abstract sealed class Shape permits Circle, Square {
    public final String id;

    public Shape(String id) {
        this.id = id;
    }

    public abstract double area();
}

由 permits 关键字指定的许可子类（permitted subclasses），必须和封闭类处于同一模块（module）或者包空间（package）里。

如果封闭类和许可类是在同一个模块里，那么它们可以处于不同的包空间里，就像下面的例子。

public abstract sealed class Shape
    permits co.ivi.jus.ploar.Circle,
            co.ivi.jus.quad.Square {
    public final String id;

    public Shape(String id) {
        this.id = id;
    }

    public abstract double area();
}

如果允许扩展的子类和封闭类在同一个源代码文件里，封闭类可以不使用 permits 语句，Java 编译器将检索源文件，在编译期为封闭类添加上许可的子类。

比如下面的两种 Shape 封闭类的声明，一个封闭类使用了 permits 语句，另外一个封闭类没有使用 permits 语句。

但是，这两个声明具有完全一样的运行时效果。

public abstract sealed class Shape {
    public final String id;

    public Shape(String id) {
        this.id = id;
    }

    public abstract double area();

    public static final class Circle extends Shape {
        // snipped
    }

    public static final class Square extends Shape {
        // snipped
    }
}

public abstract sealed class Shape
         permits Shape.Circle, Shape.Square {
    public final String id;

    public Shape(String id) {
        this.id = id;
    }

    public abstract double area();

    public static final class Circle extends Shape {
        // snipped
    }

    public static final class Square extends Shape {
        // snipped
    }
}

使用 permits 语句。

因为这样的话，代码的阅读者不需要去翻找上下文，也能一目了然地知道这个封闭类支持哪些许可类。

这会给代码的阅读者带来很多的便利，包括节省时间以及少犯错误。

五、怎么声明许可类

许可类的声明需要满足下面的三个条件：

• 许可类必须和封闭类处于同一模块（module）或者包空间（package）里，也就是说，在编译的时候，封闭类必须可以访问它的许可类；
• 许可类必须是封闭类的直接扩展类；
• 许可类必须声明是否继续保持封闭：

• 许可类可以声明为终极类（final），从而关闭扩展性；
• 许可类可以声明为封闭类（sealed），从而延续受限制的扩展性；
• 许可类可以声明为解封类（non-sealed）, 从而支持不受限制的扩展性。

许可类 Circle 是一个解封类；

许可类 Square 是一个封闭类；

许可类 ColoredSquare 是一个终极类；

而 ColoredCircle 既不是封闭类，也不是许可类。

public abstract sealed class Shape {
    public final String id;

    public Shape(String id) {
        this.id = id;
    }

    public abstract double area();
    
    public static non-sealed class Circle extends Shape {
        // snipped
    }
    
    public static sealed class Square extends Shape {
        // snipped
    }
    
    public static final class ColoredSquare extends Square {
        // snipped
    }

    public static class ColoredCircle extends Circle {
        // snipped
    }
}

需要注意的是，由于许可类必须是封闭类的直接扩展，因此许可类不具备传递性。

也就是说，上面的例子中，ColoredSquare 是 Square 的许可类，但不是 Shape 的许可类。

六、案例回顾

回头看看前面的案例，怎么判断一个形状是不是正方形呢？

封闭类能帮助我们解决这个问题吗？如果使用了封闭类，这个问题的答案也就呼之欲出了。

首先，我们要把形状这个类定义为封闭类。

这样，所有形状的子类就可以穷举了。

然后，我们寻找可以用来表示正方形的许可类。找到这些许可类后，只要我们能够判断这个形状的对象是不是一个正方形，问题就解决了。比如下面的代码，形状被定义为封闭类 Shape。

而且，Shape 这个封闭类只有两个终极的许可类。

一个许可类是表示圆形的 Circle，一个许可类是表示正方形的 Square。

public abstract sealed class Shape
         permits Shape.Circle, Shape.Square {
    public final String id;

    public Shape(String id) {
        this.id = id;
    }

    public abstract double area();

    public static final class Circle extends Shape {
        // snipped
    }

    public static final class Square extends Shape {
        // snipped
    }
}

由于 Shape 是个封闭类，在这段代码的许可范围内，一个形状 Shape 的对象要么是一个圆形 Circle 的实例，要么是一个正方形 Square 的实例，没有其他的可能性。

这样的话，判断一个形状是不是正方形这个问题就变得比较简单了。

只要能够判断出来一个形状的对象是不是一个正方形的实例，这个问题就算是解决了。

static boolean isSquare(Shape shape) {
    return (shape instanceof Square);
}

这样的逻辑在案例分析那一小节的场景中并不成立，为什么现在就成立了呢？

根本的原因，在案例分析那一小节的场景中，Shape 类是一个不受限制的类，我们没有办法知道它所有的扩展类，因此我们也就没有办法穷尽正方形的所有可能性。

而在使用封闭类的场景下，Shape 类的所有扩展类，我们都是已知的，所以我们就有办法检查每一个扩展类的规范，从而对这个问题做出正确的判断。

七、总结

可扩展性的限定方法有四个：

1. 使用私有类；
2. 使用 final 修饰符；
3. 使用 sealed 修饰符；
4. 不受限制的扩展性。

在我们日常的接口设计和编码实践中，使用这四个限定方法的优先级应该是由高到低的。

最优先使用私有类，尽量不要使用不受限制的扩展性。如果要丰富你的代码评审清单，有了封闭类后，你可以加入下面这一条：

一个类，如果有真实的可扩展需求，能不能枚举，可不可以使用 sealed 修饰符？

• 知道 Java 支持封闭类，并且能够使用封闭类编写代码；

• 面试问题：你知道封闭类吗？会不会使用它？

• 了解封闭类的原理和它要解决的问题，知道限制住扩展性的办法；

• 面试问题：面向对象编程的可扩展性有什么问题吗？该怎么处理这些问题？

• 能够有意识地使用封闭类来限制类或者接口的扩展性。

• 面试问题：你写的这段代码，是不是应该使用 final 修饰符或者 sealed 修饰符？

如果你的代码里使用了封闭类，无论是面试的时候还是工作的时候，一定能够给人深刻的印象。因为，这意味着你已经了解了可扩展性的危害，并且有办法降低这种危害的影响，有能力编写出更健壮的代码。

原来正方形变化多端！封闭类可以把无限多种情况变成有限数量的情况，从而达到了不可控到可控的目的。虽然在添加新许可类时必须修改封闭类（打破了开闭原则），但解决了因无限扩展可能导致的诡异Bug，保证的程序的正确性（没有比正确运行更重要的了）。

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