Блог Scala Функ. программирование Классы типов Алгоритмы Библиотеки Упражнения Ресурсы

Моделирование ООП

Введение

Scala предоставляет все необходимые инструменты для объектно-ориентированного проектирования:

Traits

Возможно, в отличие от других языков программирования с поддержкой ООП таких, как Java, основным инструментом декомпозиции в Scala являются не классы, а traits. Они могут служить для описания абстрактных интерфейсов, таких как:

trait Showable:
  def show: String

, а также могут содержать конкретные реализации:

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

На примере видно, что метод showHtml определяется в терминах абстрактного метода show.

Odersky и Zenger представляют сервис-ориентированную компонентную модель и рассматривают:

Это видно на примере со Showable: определяя класс Document, который расширяет Showable, все еще нужно определить show, но showHtml уже предоставляется:

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

Абстрактные методы

Абстрактными в trait могут оставаться не только методы. trait может содержать:

Каждая из вышеперечисленных функций может быть использована для определения той или иной формы требований к реализатору trait.

Mixin Composition

Кроме того, что trait-ы могут содержать абстрактные и конкретные определения, Scala также предоставляет мощный способ создания нескольких trait: структура, которую часто называют смешанной композицией.

Предположим, что следующие два (потенциально независимо определенные) trait-а:

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

Чтобы скомпоновать два сервиса, можно просто создать новый trait, расширяющий их:

trait ComposedService extends GreetingService, TranslationService

Абстрактные элементы в одном trait-е (например, translate в GreetingService) автоматически сопоставляются с конкретными элементами в другом trait-е. Это работает не только с методами, как в этом примере, но и со всеми другими абстрактными членами, упомянутыми выше (то есть типами, переменными и т.д.).

Классы

trait-ы отлично подходят для модуляции компонентов и описания интерфейсов (обязательных и предоставляемых). Но в какой-то момент возникнет необходимость создавать их экземпляры. При разработке программного обеспечения в Scala часто бывает полезно рассмотреть возможность использования классов только на начальных этапах модели наследования:

Traits - T1, T2, T3

Composed traits - S extends T1, T2, S extends T2, T3

Classes - C extends S, T3

Instances - C()

Это еще более актуально в Scala 3, где trait-ы теперь также могут принимать параметры конструктора, что еще больше устраняет необходимость в классах.

Определение класса

Подобно trait-ам, классы могут расширять несколько trait-ов (но только один суперкласс):

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

Subtyping

Экземпляр MyService создается следующим образом:

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

С помощью подтипов экземпляр s1 можно использовать везде, где ожидается любое из расширенных свойств:

val s2: GreetingService = s1
val s3: TranslationService = s1
val s4: Showable = s1
// ... и т.п. ...

Планирование расширения

Как упоминалось ранее, можно расширить еще один класс:

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

Однако, поскольку trait-ы разработаны как основное средство декомпозиции, класс, определенный в одном файле, не может быть расширен в другом файле. Чтобы разрешить это, базовый класс должен быть помечен как открытый:

open class Person(name: String)

Маркировка классов с помощью open - это новая функция Scala 3. Необходимость явно помечать классы как открытые позволяет избежать многих распространенных ошибок в ООП. В частности, это требует, чтобы разработчики библиотек явно планировали расширение и, например, документировали классы, помеченные как открытые.

Пример:

// File Writer.scala
package p

open class Writer[T]:

  /** Sends to stdout, can be overridden */
  def send(x: T) = println(x)

  /** Sends all arguments using `send` */
  def sendAll(xs: T*) = xs.foreach(send)
end Writer

// File EncryptedWriter.scala
package p

class EncryptedWriter[T: Encryptable] extends Writer[T]:
  override def send(x: T) = super.send(encrypt(x))

Открытый класс обычно поставляется с некоторой документацией, описывающей внутренние шаблоны вызовов между методами класса, а также хуки, которые можно переопределить. Это называется контрактом расширения класса (extension contract). Он отличается от внешнего контракта (external contract) между классом и его пользователями.

Классы без модификатора open все же могут быть расширены, но только при соблюдении хотя бы одного из двух альтернативных условий:

Подробности об open классах.

Экземпляры и приватное изменяемое состояние

Как и в других языках с поддержкой ООП, trait-ы и классы в Scala могут определять изменяемые поля:

class Counter:
  private var currentCount = 0

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

Каждый экземпляр класса Counter имеет собственное приватное состояние, которое можно наблюдать только через метод count, как показано в следующем примере:

val c1 = Counter()
c1.count
// res0: Int = 0
c1.tick()
c1.tick()
c1.count
// res3: Int = 2

Модификаторы доступа

По умолчанию все определения элементов в Scala являются общедоступными. Чтобы скрыть детали реализации, можно определить элементы (методы, поля, типы и т.д.) как private или protected. Таким образом можно контролировать, как к ним обращаются или как их переопределяют. Закрытые (private) члены видны только самому классу/trait-у и его сопутствующему объекту. Защищенные (protected) члены также видны подклассам класса.

Дополнительный пример: сервис-ориентированный дизайн

Далее будут проиллюстрированы некоторые расширенные возможности Scala и показано, как их можно использовать для структурирования более крупных программных компонентов. Примеры взяты из статьи Мартина Одерски и Маттиаса Зенгера Масштабируемые компонентные абстракции. Пример в первую очередь предназначен для демонстрации того, как использовать несколько функций типа для создания более крупных компонентов.

Цель состоит в том, чтобы определить программный компонент с семейством типов, которые могут быть уточнены позже при реализации компонента. Конкретно, следующий код определяет компонент SubjectObserver как trait с двумя членами абстрактного типа, S (для субъектов) и O (для наблюдателей):

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(): Unit =
      for obs <- observers do obs.notify(this)
  }
  
  trait Observer:
    def notify(sub: S): Unit

Есть несколько вещей, которые нуждаются в объяснении.

Члены абстрактного типа

Тип объявления S <: Subject говорит, что внутри trait SubjectObserver можно ссылаться на некоторый неизвестный (то есть абстрактный) тип, который называется S. Однако этот тип не является полностью неизвестным: мы знаем, по крайней мере, что это какой-то подтип Subject. Все trait-ы и классы, расширяющие SubjectObserver, могут свободно выбирать любой тип для S, если выбранный тип является подтипом Subject. Часть <: Subject декларации также упоминается как верхняя граница на S.

Вложенные trait-ы

В рамках trait-а SubjectObserver определяются два других trait-а. trait Observer, который определяет только один абстрактный метод notify с одним аргументом типа S. Как будет видно, важно, чтобы аргумент имел тип S, а не тип Subject.

Второй trait, Subject, определяет одно приватное поле observers для хранения всех наблюдателей, подписавшихся на этот конкретный объект. Подписка на объект просто сохраняет объект в списке. Опять же, тип параметра obs - это O, а не Observer.

Аннотации собственного типа

Наконец, что означает self: S => в trait-е Subject? Это называется аннотацией собственного типа. И требует, чтобы подтипы Subject также были подтипами S. Это необходимо, чтобы иметь возможность вызывать obs.notify с this в качестве аргумента, поскольку для этого требуется значение типа S. Если бы S был конкретным типом, аннотацию собственного типа можно было бы заменить на trait Subject, расширяющий S.

Реализация компонента

Теперь можно реализовать вышеуказанный компонент и определить члены абстрактного типа как конкретные типы:

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): Unit =
      currentValue = v
      publish()

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

В частности, мы определяем singleton object SensorReader, который расширяет SubjectObserver. В реализации SensorReader говорится, что type S теперь определяется как type Sensor, а type O определяется как type Display. И Sensor, и Display определяются как вложенные классы в SensorReader, реализующие trait-ы Subject и Observer соответственно.

Помимо того, что этот код является примером сервис-ориентированного дизайна, он также освещает многие аспекты объектно-ориентированного программирования:

Важно отметить, что реализация notify может безопасно получить доступ только к label и value sub, поскольку мы изначально объявили параметр типа S.

Использование компонента

Наконец, следующий код иллюстрирует, как использовать компонент SensorReader:

import SensorReader.*
// настройка сети
val s1 = Sensor("sensor1")
val s2 = Sensor("sensor2")
val d1 = Display()
val d2 = Display()
s1.subscribe(d1)
s1.subscribe(d2)
s2.subscribe(d1)
// распространение обновлений по сети
s1.changeValue(2)
// sensor1 has value 2.0
// sensor1 has value 2.0
s2.changeValue(3)
// sensor2 has value 3.0

Имея под рукой все утилиты объектно-ориентированного программирования, в следующем разделе будет продемонстрировано, как разрабатывать программы в функциональном стиле.

Ссылки: