Java 缺失的特性：扩展方法

时间：2021-07-26 01:19:23

作者：周密(之叶)

什么是扩展方法

扩展方法，就是能够向现有类型直接“添加”方法，而无需创建新的派生类型、重新编译或以其他方式修改现有类型。调用扩展方法的时候，与调用在类型中实际定义的方法相比没有明显的差异。

为什么需要扩展方法

考虑要实现这样的功能：从 Redis 取出包含多个商品ID的字符串后（每个商品ID使用英文逗号分隔），先对商品ID进行去重（并能够维持元素的顺序），最后再使用英文逗号将各个商品ID进行连接。

// "123,456,123,789"
String str = redisService.get(someKey)

传统写法：

String itemIdStrs = String.join(",", new LinkedHashSet<>(Arrays.asList(str.split(","))));

使用 Stream 写法：

String itemIdStrs = Arrays.stream(str.split(",")).distinct().collect(Collectors.joining(","));

假设在 Java 中能实现扩展方法，并且我们为数组添加了扩展方法 toList（将数组变为 List），为 List 添加了扩展方法 toSet（将 List 变为 LinkedHashSet），为 Collection 添加了扩展方法 join（将集合中元素的字符串形式使用给定的连接符进行连接），那我们将可以这样写代码：

String itemIdStrs = str.split(",").toList().toSet().join(",");

相信此刻你已经有了为什么需要扩展方法的答案：

  • 可以对现有的类库，进行直接增强，而不是使用工具类
  • 相比使用工具类，使用类型本身的方法写代码更流畅更舒适
  • 代码更容易阅读，因为是链式调用，而不是用静态方法套娃

在 Java 中怎么实现扩展方法

我们先来问问最近大火的 ChatGPT：

Java 缺失的特性：扩展方法

好吧，ChatGPT 认为 Java 里面的扩展方法就是通过工具类提供的静态方法 :)。所以接下来我将介绍一种全新的黑科技：

Manifold（<https://github.com/manifold-systems/manifold>）

准备条件

Manifold 的原理和 Lombok 是类似的，也是在编译期间通过注解处理器进行处理。所以要在 IDEA 中正确使用 Manifold，需要安装 Manifold IDEA 的插件：

Java 缺失的特性：扩展方法

然后再在项目 pom 的 maven-compiler-plugin 中加入 annotationProcessorPaths：

<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">

  ...

    <properties>
        <manifold.version>2022.1.35</manifold.version>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>systems.manifold</groupId>
            <artifactId>manifold-ext</artifactId>
            <version>${manifold.version}</version>
        </dependency>

        ...
    </dependencies>

    <!--Add the -Xplugin:Manifold argument for the javac compiler-->
    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <version>3.8.1</version>
                <configuration>
                    <source>8</source>
                    <target>8</target>
                    <encoding>UTF-8</encoding>
                    <compilerArgs>
                        <arg>-Xplugin:Manifold no-bootstrap</arg>
                    </compilerArgs>
                    <annotationProcessorPaths>
                        <path>
                            <groupId>systems.manifold</groupId>
                            <artifactId>manifold-ext</artifactId>
                            <version>${manifold.version}</version>
                        </path>
                    </annotationProcessorPaths>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
</project>

如果你的项目中使用了 Lombok，需要把 Lombok 也加入 annotationProcessorPaths：

<annotationProcessorPaths>
    <path>
        <groupId>org.projectlombok</groupId>
        <artifactId>lombok</artifactId>
        <version>${lombok.version}</version>
    </path>
    <path>
        <groupId>systems.manifold</groupId>
        <artifactId>manifold-ext</artifactId>
        <version>${manifold.version}</version>
    </path>
</annotationProcessorPaths>

编写扩展方法

JDK 中，String 的 split 方法，使用的是字符串作为参数，即 String[] split(String)。我们现在来为 String 添加一个扩展方法 String[] split(char)：按给定的字符进行分割。

基于 Manifold，编写扩展方法：

package com.alibaba.zhiye.extensions.java.lang.String;

import manifold.ext.rt.api.Extension;
import manifold.ext.rt.api.This;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

/**
 * String 的扩展方法
 */
@Extension
public final class StringExt {

    public static String[] split(@This String str, char separator) {
        return StringUtils.split(str, separator);
    }
}

可以发现本质上还是工具类的静态方法，但是有一些要求：

  1. 工具类需要使用 Manifold 的 @Extension 注解
  2. 静态方法中，目标类型的参数，需要使用 @This 注解
  3. 工具类所在的包名，需要以 extensions.目标类型全限定类名 结尾

—— 用过 C# 的同学应该会会心一笑，这就是模仿的 C# 的扩展方法。

关于第 3 点，之所以有这个要求，是因为 Manifold 希望能快速找到项目中的扩展方法，避免对项目中所有的类进行注解扫描，提升处理的效率。

具备了扩展方法的能力，现在我们就可以这样调用了：

Amazing！而且你可以发现，System.out.println(numStrs.toString()) 打印的居然是数组对象的字符串形式 —— 而不是数组对象的地址。查看反编译后的 App.class，发现是将扩展方法的调用，替换为静态方法调用：

Java 缺失的特性：扩展方法

而数组的 toString 方法，使用的是 Manifold 为数组定义的扩展方法 ManArrayExt.toString(@This Object array)：

Java 缺失的特性：扩展方法

[Ljava.lang.String;@511d50c0 什么的，Goodbye，再也不见~

因为是在编译期将扩展方法的调用替换为静态方法调用，所以使用 Manifold 的扩展方法，即使调用方法的对象是 null 也没有问题，因为处理后的代码是把 null 作为参数传递到对应的静态方法。比如我们对 Collection 进行扩展：

package com.alibaba.zhiye.extensions.java.util.Collection;

import manifold.ext.rt.api.Extension;
import manifold.ext.rt.api.This;

import java.util.Collection;

/**
 * Collection 的扩展方法
 */
@Extension
public final class CollectionExt {

    public static boolean isNullOrEmpty(@This Collection<?> coll) {
        return coll == null || coll.isEmpty();
    }
}

然后调用的时候：

List<String> list = getSomeNullableList();

// list 如果为 null 会进入 if 块，而不会触发空指针异常
if (list.isNullOrEmpty()) {
  // TODO
}

java.lang.NullPointerException，Goodbye，再也不见~

数组扩展方法

JDK 中，数组并没有一个具体的对应类型，那为数组定义的扩展类，要放到什么包中呢？看下 ManArrayExt 的源码，发现 Manifold 专门提供了一个类 manifold.rt.api.Array，用来表示数组。比如 ManArrayExt 中为数组提供的 toList 的方法：

Java 缺失的特性：扩展方法

我们看到 List<@Self(true) Object> 这样的写法：@Self 是用来表示被注解的值应该是什么类型，如果是 @Self，即 @Self(false)，表示被注解的值和 @This 注解的值是同一个类型；@Self(true) 则表示是数组中元素的类型。

对于对象数组，我们可以看到 toList 方法返回的就是对应的 List（T 为数组元素的类型）：

Java 缺失的特性：扩展方法

但如果是原始类型数组，IDEA 指示的返回值是：

Java 缺失的特性：扩展方法

但是我用的是 Java 啊，擦除法泛型怎么可能拥有 List 这么伟大的功能 —— 所以你只能用原生类型来接收这个返回值 :)

Java 缺失的特性：扩展方法

—— 许个愿，希望 Project Valhalla 早日 GA。

我们经常在各个项目中看到，大家先把某个对象包装成 Optional，然后进行 filter、map 等。通过 @Self 的类型映射，你可以这样为 Object 加入一个非常实用的办法：

package com.alibaba.zhiye.extensions.java.lang.Object;

import manifold.ext.rt.api.Extension;
import manifold.ext.rt.api.Self;
import manifold.ext.rt.api.This;

import java.util.Optional;

/**
 * Object 的扩展方法
 */
@Extension
public final class ObjectExt {

    public static Optional<@Self Object> asOpt(@This Object obj) {
        return Optional.ofNullable(obj);
    }
}

那么任何对象，都将拥有 asOpt() 方法。

相比于之前的需要包装一下的不自然：

Optional.ofNullable(someObj).filter(someFilter).map(someMapper).orElseGet(someSupplier);

你现在可以自然而然的使用 Optional：

someObj.asOpt().filter(someFilter).map(someMapper).orElseGet(someSupplier);

当然，Object 是所有的类的父类，这样做是否合适，还是需要谨慎的思考一下。

扩展静态方法

我们都知道 Java9 给集合添加了工厂方法：

List<String> list = List.of("a", "b", "c");
Set<String> set = Set.of("a", "b", "c");
Map<String, Integer> map = Map.of("a", 1, "b", 2, "c", 3);

是不是很眼馋？因为如果用的不是 Java9 及以上版本（Java8：直接报我身份证就行），你就得用 Guava 之类的库 —— 然而 ImmutableList.of 用起来终究是比不上 List.of 这样的正统来的自然。

没关系，Manifold 说：“无所谓，我会出手”。基于 Manifold 扩展静态方法，就是在扩展类的静态方法上，也加上 @Extension：

package com.alibaba.aladdin.app.extensions.java.util.List;

import manifold.ext.rt.api.Extension;
import manifold.ext.rt.api.This;

import java.util.Arrays;
import java.util.Collections;
import java.util.List;

/**
 * List 扩展方法
 */
@Extension
public final class ListExt {

    /**
     * 返回只包含一个元素的不可变 List
     */
    @Extension
    public static <E> List<E> of(E element) {
        return Collections.singletonList(element);
    }

    /**
     * 返回包含多个元素的不可变 List
     */
    @Extension
    @SafeVarargs
    public static <E> List<E> of(E... elements) {
        return Collections.unmodifiableList(Arrays.asList(elements));
    }
}

然后你就可以欺骗自己已经用上了 Java8 之后的版本 —— 你发任你发，我用 Java8。

BTW，因为 Object 是所有类的父类，如果你给 Object 添加静态扩展方法，那么意味着你可以在任何地方直接访问到这个静态方法，而不需要 import —— 恭喜你，解锁了 “*函数”。

建议

关于 Manifold

我从 2019 年开始关注 Manifold，那时候 Manifold IDEA 插件还是收费的，所以当时只是做了简单的尝试。最近再看，IDEA 插件已经完全免费，所以迫不及待地想要物尽其用。目前我已经在一个项目中使用了 Manifold 来实现扩展方法的功能 —— 当事人表示非常上瘾，已经离不开了。如果你有使用上的建议和疑问，欢迎和我一起讨论。

谨慎添加扩展方法

如果决定在项目中使用 Manifold 实现扩展方法，那么我们一定要做到 “管住自己的手” 。

首先，就是上文说的，给 Object 或者其他在项目中使用非常广泛的类添加扩展方法，一定要非常的慎重，最好是要和项目组的同学一起讨论，让大家一起决定，否则很容易让人迷惑。

另外，如果要给某个类添加扩展方法，一定要先认真思考一个问题：“这个方法的逻辑是不是在这个类的职责范围内，是否有掺杂业务自定义逻辑”。例如下面这个方法（判断给定的字符串是不是一个合法的参数）：

public static boolean isValidParam(String str) {
    return StringUtils.isNotBlank(str) && !"null".equalsIgnoreCase(str);
}

很明显，isValidParam 不是 String 这个类的职责范围，应该把 isValidParam 继续放在 XxxBizUtils 里面。当然，如果你把方法名改成 isNotBlankAndNotEqualsIgnoreCaseNullLiteral，那是可以的 :) —— 不过劝你别这么做，容易被打。

标签：

相关文章