46、Scala与Java互操作性及应用设计全解析

Scala与Java互操作性及应用设计全解析

1. Scala与Java的互操作性

1.1 Scala元组在Java中的使用

在Java中使用Scala元组是可行的，下面是一个简单的示例代码：

// src/test/java/progscala2/javainterop/ScalaTuples.java
package progscala2.javainterop;
import scala.Tuple2;
public class ScalaTuples {
  public static void main(String[] args) {
    Tuple2 stringInteger = new Tuple2<String,Integer>("one", 2);
    System.out.println(stringInteger);
  }
}

在这个例子中，我们创建了一个包含字符串和整数的元组，并将其打印输出。

1.2 Scala函数在Java中的限制

然而，在Java中使用Scala的 FunctionN 类型却存在困难。例如，以下代码无法编译：

// src/test/java/progscala2/javainterop/ScalaFunctions.javaX
package progscala2.javainterop;
import scala.Function1;
public class ScalaFunctions {
  public static void main(String[] args) {
    // Fails to compile, due to missing methods the Scala compiler would add.
    Function1 stringToInteger = new Function1<String,Integer>() {
      public Integer apply(String s) {
        Integer.parseInt(s);
      }
    };
    System.out.println(stringToInteger("101"));
  }
}

编译器会抱怨抽象方法 apply$mcVJ$sp(long) 未定义，而这些方法本应由Scala编译器自动生成。这严重限制了从Java代码调用Scala集合中的高阶函数的能力。虽然可以尝试传递Java 8的lambda表达式，但它们与 scala.FunctionN 并不兼容。不过，Scala 2.12计划统一Scala函数和Java lambda，以消除这种不兼容性。

1.3 JavaBean属性

Scala并不遵循JavaBeans的字段读写方法约定，而是支持更实用的统一访问原则。但在某些情况下，我们需要JavaBeans的访问器方法，例如一些依赖注入框架会使用它们，支持Bean“内省”的IDE也会用到。

Scala通过 @scala.beans.BeanProperty 注解解决了这个问题，该注解可以应用于字段，告诉编译器生成JavaBeans风格的getter和setter方法。 scala.beans 包中还包含其他用于配置Bean属性的注解。

以下是一个使用 @scala.beans.BeanProperty 注解的示例：

// src/main/scala/progscala2/javainterop/ComplexBean.scala
package progscala2.javainterop
// Scala 2.11. For Scala 2.10 and earlier, use scala.reflect.BeanProperty.
case class ComplexBean(
  @scala.beans.BeanProperty real: Double,
  @scala.beans.BeanProperty imaginary: Double) {
  def +(that: ComplexBean) =
    new ComplexBean(real + that.real, imaginary + that.imaginary)
  def -(that: ComplexBean) =
    new ComplexBean(real - that.real, imaginary - that.imaginary)
}

如果对 ComplexBean.class 文件进行反编译，会看到以下方法：

$ javap -cp target/scala-2.11/classes javainterop.ComplexBean
...
  public double real();
  public double imaginary();
  ...
  public double getReal();
  public double getImaginary();
  ...

由于字段是不可变的，所以没有显示setter方法。与原始的 Complex 类反编译结果相比，使用 BeanProperty 注解后，除了正常的字段读取方法外，还会生成JavaBeans风格的getter方法。

1.4 AnyVal类型与Java基本类型

在前面的 Complex 示例中， Double 字段会被编译为Java的基本类型 double 。实际上，所有的 AnyVal 类型都会被转换为对应的Java基本类型，特别是 Unit 会被映射为 void 。

1.5 Scala名称在Java代码中的处理

Scala允许使用更灵活的标识符，如操作符字符 * 、 < 等，但这些字符在字节码标识符中是不允许的。因此，这些字符会被编码（或“混淆”）以满足JVM的约束，具体转换如下表所示：
| 操作符 | 编码 |
| — | — |
| = | $eq |
| > | $greater |
| < | $less |
| + | $plus |
| - | $minus |
| * | $times |
| / | $div |
| \ | $bslash |
| | | $bar |
| ! | $bang |
| ? | $qmark |
| : | $colon |
| % | $percent |
| ^ | $up |
| & | $amp |

2. 应用设计

2.1 已掌握概念回顾

在解决小型设计问题时，我们已经掌握的一些概念为应用提供了稳定的基础：
- 函数式容器 ：集合和其他容器提供的简洁而强大的组合器，使我们能够用最少的代码实现逻辑。
- 类型 ：类型强制执行约束，理想情况下，它们能尽可能多地表达程序行为的信息。例如，使用 Option 可以消除 null 的使用。参数化类型和抽象类型成员是抽象和代码复用的工具。
- 混入特质 ：特质实现了模块化和可组合的行为。
- for推导式 ：为使用容器提供了方便的“DSL”，通过 flatMap 、 map 和 filter/withFilter 操作。
- 模式匹配 ：能够快速提取数据进行处理。
- 隐式转换 ：解决了许多设计问题，包括减少样板代码、在方法调用中传递上下文、隐式转换以及一些类型约束。
- 细粒度可见性规则 ：Scala的细粒度可见性规则使我们能够精确控制API中实现细节的可见性，只暴露客户端应该使用的公共抽象。
- 包对象 ：将所有实现构造放在受保护的包中，然后使用顶级包对象只暴露适当的公共抽象。
- 错误处理策略 ： Option 、 Either 、 Try 和Scalaz的 Validation 类型将异常和其他错误具体化，使它们成为函数返回的“正常”结果的一部分。

2.2 注解

注解是一种用元数据标记声明的技术，在许多语言中都有使用。一些Scala注解为编译器提供指令，它们被用于对象关系映射（ORM）框架中定义类型的持久化映射信息，也用于依赖注入。

Scala的注解派生自 scala.annotation.Annotation 。直接继承这个抽象类的注解不会被类型检查器保留，也无法在运行时使用。有两个主要的子类型（特质）消除了这些限制：
- 继承 scala.annotation.ClassfileAnnotation 的注解会作为Java注解保留在类文件中，以便在运行时访问。
- 继承 scala.annotation.StaticAnnotation 的注解即使在不同的编译单元中也能被类型检查器使用。

以下是直接派生自 Annotation 的注解列表：
| 名称 | Java等效项 | 描述 |
| — | — | — |
| ClassfileAnnotation | @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) | 作为Java注解存储在类文件中以便运行时访问的注解的父特质 |
| BeanDescription | BeanDescriptor (class) | 为JavaBean类型或成员关联一个简短描述，该描述将包含在生成的Bean信息中 |
| BeanDisplayName | BeanDescriptor (class) | 为JavaBean类型或成员关联一个名称，该名称将包含在生成的Bean信息中 |
| BeanInfo | BeanInfo (class) | 标记一个Scala类，指示应该为其生成一个BeanInfo类 |
| BeanInfoSkip | N.A. | 标记一个成员，指示不应该为其生成Bean信息 |
| StaticAnnotation | Static fields, @Target(ElementType.TYPE) | 应该在不同编译单元中可见并定义“静态”元数据的注解的父特质 |
| TypeConstraint | N.A. | 可以应用于其他注解的注解特质，用于定义类型约束 |
| unchecked | 类似@SuppressWarnings(“unchecked”) | 用于匹配语句中的选择器，抑制编译器关于case子句不“详尽”的警告 |

以下是 StaticAnnotation 的子类型列表（不包括 scala.annotation.meta 包中的注解）：
| 名称 | Java等效项 | 描述 |
| — | — | — |
| BeanProperty | JavaBean约定 | 标记一个字段，告诉编译器生成JavaBean风格的“getter”和“setter”方法 |
| BooleanBeanProperty | 相同 | 与 BeanProperty 类似，但getter方法名为 isX 而不是 getX |
| cloneable | java.lang.Cloneable (interface) | 标记一个类，表示该类可以被克隆 |
| compileTimeOnly | N.A. | 注解的项在编译后将不可见 |
| deprecated | java.lang.Deprecated | 标记任何定义，表示该定义的“项”已过时 |
| deprecatedName | N.A. | 标记一个参数名称为过时 |
| elidable | N.A. | 用于抑制代码生成，例如不需要的日志消息 |
| implicitNotFound | N.A. | 自定义当找不到隐式值时的错误消息 |
| inline | N.A. | 告诉编译器尝试“特别努力”内联方法 |
| native | native (关键字) | 标记一个方法，表示该方法以“本地”代码实现 |
| noinline | N.A. | 防止编译器内联方法 |
| remote | java.rmi.Remote (interface) | 标记一个类，表示该类可以从远程JVM调用 |
| specialized | N.A. | 应用于参数化类型和方法的类型参数，告诉编译器为对应于平台基本类型的 AnyVal 类型生成优化版本 |
| strictfp | strictfp (关键字) | 开启严格浮点运算 |
| switch | N.A. | 应用于匹配表达式，验证匹配是否被编译为基于表或查找的switch语句 |
| tailrec | N.A. | 注解一个方法，告诉编译器验证该方法是否会进行尾调用优化 |
| throws | throws (关键字) | 指示注解的方法抛出哪些异常 |
| transient | transient (关键字) | 标记一个字段为“瞬态” |
| unchecked | N.A. | 限制编译器检查，例如查找详尽的匹配表达式 |
| uncheckedStable | N.A. | 标记一个值，假设其类型是可变的，但该值是稳定的 |
| uncheckedVariance | N.A. | 标记一个类型参数，当用于参数化类型时，抑制方差检查 |
| unspecialized | N.A. | 限制生成专门形式 |
| varargs | N.A. | 为具有重复参数的方法生成Java风格的可变参数方法 |
| volatile | volatile (关键字，仅用于字段) | 标记单个字段或整个类型，表示该字段可能会被单独的线程修改 |

annotation.meta 包中定义了额外的 StaticAnnotations ，用于在字节码中对注解应用进行细粒度控制：
| 名称 | 描述 |
| — | — |
| beanGetter | 将 @BeanProperty 注解限制为仅出现在生成的getter方法上 |
| beanSetter | 将 @BeanProperty 注解限制为仅出现在生成的setter方法上 |
| companionClass | Scala编译器为相应的隐式类创建一个隐式转换方法 |
| companionMethod | 与 companionClass 类似，但也将注解应用于生成的转换方法 |
| companionObject | 未使用，用于自动生成伴生对象的case类 |
| field | 应用于注解的定义，指定其默认目标为字段 |
| getter | 与 field 类似，但针对getter方法 |
| languageFeature | 用于 scala.language 中的语言特性 |
| param | 与 field 类似，但针对参数方法 |
| setter | 与 field 类似，但针对setter方法 |

最后， ClassfileAnnotation 的单一子类型如下：
| 名称 | Java等效项 | 描述 |
| — | — | — |
| SerialVersionUID | 类中的serialVersionUID静态字段 | 为序列化目的定义全局唯一ID |

在Scala中声明注解不需要像Java那样的特殊语法，例如 implicitNotFound 的定义如下：

package scala.annotation
final class implicitNotFound(msg: String) extends StaticAnnotation {}

2.3 特质作为模块

Java提供类和包作为模块化单元，JAR文件是最粗粒度的组件抽象。但包的可见性控制有限，很难隐藏实现类型的公共可见性。Scala通过更丰富的可见性规则解决了这个问题，但这些规则并未得到广泛应用。包对象是另一种定义客户端应该使用和不应该使用内容的方式。

模块化的另一个重要目标是实现组合。Scala的特质为混入组件提供了出色的支持，实际上，Scala将特质而非类作为定义模块的机制。

以下是使用Cake模式的示例：

// src/main/scala/progscala2/typesystem/selftype/selftype-cake-pattern.sc
trait Persistence { def startPersistence(): Unit }
trait Midtier { def startMidtier(): Unit }
trait UI { def startUI(): Unit }
trait Database extends Persistence {
  def startPersistence(): Unit = println("Starting Database")
}
trait BizLogic extends Midtier {
  def startMidtier(): Unit = println("Starting BizLogic")
}
trait WebUI extends UI {
  def startUI(): Unit = println("Starting WebUI")
}
trait App { self: Persistence with Midtier with UI =>
  def run() = {
    startPersistence()
    startMidtier()
    startUI()
  }
}
object MyApp extends App with Database with BizLogic with WebUI

这个示例的步骤如下：
1. 定义应用的持久化、中间层和UI层的特质。
2. 将“具体”行为实现为特质。
3. 定义一个特质（或抽象类），定义各层如何组合的“骨架”。在这个简单的例子中， run 方法只是启动每一层。
4. 定义 MyApp 对象，扩展 App 并混入实现所需行为的三个具体特质。

每个特质（ Persistence 、 Midtier 和 UI ）都作为模块抽象，具体实现与它们清晰分离。通过自类型注解指定了各层的连接方式。

Cake模式曾被用作依赖注入机制的替代方案，甚至被用于构建Scala编译器本身。然而，它也有缺点，“蛋糕”中的非平凡依赖图经常导致依赖初始化顺序的问题。解决方法包括使用 lazy vals 和方法而不是字段，这两种方法都将初始化推迟到依赖项（希望）被初始化之后。因此，在许多应用中，包括编译器，对Cake模式的使用已经减少，但该模式仍然有用，需要谨慎使用。

2.4 设计模式

设计模式最近受到了批评，一些人认为它们是语言特性缺失的变通方法。实际上，一些经典的四人组模式并不完全适用于现代编程。但设计模式仍然有其价值，在应用设计中，我们需要根据具体情况选择合适的模式和技术，平衡面向对象和函数式设计技术，以构建出高效、可维护的大型应用。

2.5 设计模式的价值与挑战

设计模式在软件开发中一直扮演着重要的角色，但近年来也面临着一些争议。批评者认为，设计模式是为了弥补编程语言特性的不足而出现的变通方法。然而，这并不意味着设计模式就失去了价值。在实际的应用设计中，合理运用设计模式可以帮助我们更好地组织代码结构，提高代码的可维护性和可扩展性。

例如，在处理复杂的业务逻辑时，设计模式可以提供一种通用的解决方案，使得代码更加清晰和易于理解。同时，设计模式也可以促进团队成员之间的沟通和协作，因为大家都对常见的设计模式有一定的了解。

但是，使用设计模式也存在一些挑战。一方面，过度使用设计模式可能会导致代码变得复杂和难以维护。另一方面，不同的设计模式适用于不同的场景，如果选择不当，可能会导致代码的效率低下。因此，在应用设计中，我们需要根据具体情况选择合适的设计模式，避免盲目跟风。

2.6 平衡面向对象与函数式设计

在现代软件开发中，面向对象和函数式设计是两种重要的编程范式。面向对象编程强调对象的封装、继承和多态，通过对象之间的交互来实现程序的功能。而函数式编程则强调函数的纯粹性和不可变性，通过函数的组合来实现程序的功能。

在应用设计中，我们需要平衡面向对象和函数式设计技术。对于一些需要处理复杂状态和行为的场景，面向对象编程可能更加合适。例如，在开发一个大型的企业级应用时，我们可以使用面向对象的设计思想来设计系统的架构，将不同的功能模块封装成不同的对象，通过对象之间的交互来实现系统的功能。

而对于一些需要处理大量数据和逻辑的场景，函数式编程可能更加合适。例如，在进行数据分析和处理时，我们可以使用函数式编程的思想来实现数据的转换和处理，通过函数的组合来实现复杂的数据分析任务。

以下是一个简单的示例，展示了如何在Scala中结合面向对象和函数式编程：

// 定义一个简单的类
class Person(val name: String, val age: Int) {
  def greet(): String = s"Hello, my name is $name and I'm $age years old."
}

// 定义一个函数式方法
def filterAdults(persons: List[Person]): List[Person] = {
  persons.filter(_.age >= 18)
}

object Main extends App {
  val people = List(new Person("Alice", 20), new Person("Bob", 15))
  val adults = filterAdults(people)
  adults.foreach(person => println(person.greet()))
}

在这个示例中，我们定义了一个 Person 类，它是一个面向对象的设计。同时，我们定义了一个函数式方法 filterAdults ，用于过滤出成年人。最后，我们在 Main 对象中调用这个函数，并打印出成年人的问候语。

2.7 应用设计的流程与建议

在进行应用设计时，我们可以遵循以下流程：
1. 需求分析 ：明确应用的功能需求和非功能需求，包括性能、可维护性、可扩展性等方面的要求。
2. 架构设计 ：根据需求分析的结果，设计应用的整体架构，选择合适的技术栈和设计模式。
3. 模块设计 ：将应用拆分成多个模块，明确每个模块的功能和职责，设计模块之间的接口和交互方式。
4. 详细设计 ：对每个模块进行详细设计，包括类的设计、方法的设计等，确保代码的可读性和可维护性。
5. 编码实现 ：根据详细设计的结果，使用合适的编程语言和开发工具进行编码实现。
6. 测试与优化 ：对应用进行测试，包括单元测试、集成测试、系统测试等，发现并修复代码中的问题。同时，对应用进行性能优化，提高应用的运行效率。
7. 部署与维护 ：将应用部署到生产环境中，并进行日常的维护和监控，及时处理应用中出现的问题。

以下是一些应用设计的建议：
- 遵循开闭原则 ：对扩展开放，对修改关闭。尽量通过扩展代码来实现新的功能，而不是修改已有的代码。
- 单一职责原则 ：一个类或模块应该只负责一项职责，避免一个类承担过多的功能。
- 依赖倒置原则 ：高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖抽象。通过依赖注入等方式实现模块之间的解耦。
- 使用设计模式 ：在合适的场景下使用设计模式，提高代码的可维护性和可扩展性。
- 进行代码审查 ：定期进行代码审查，发现并纠正代码中的问题，提高代码的质量。

2.8 总结

Scala与Java的互操作性为我们提供了更多的选择和便利，使得我们可以在Scala项目中继续使用现有的Java代码。同时，在应用设计方面，我们需要综合考虑各种因素，包括已掌握的概念、注解、特质作为模块、设计模式等，平衡面向对象和函数式设计技术，遵循合理的设计流程和原则，以构建出高效、可维护的大型应用。

在未来的软件开发中，我们需要不断学习和掌握新的技术和方法，根据具体的应用场景选择合适的技术和设计模式，以应对不断变化的需求和挑战。

通过本文的介绍，希望能够帮助你更好地理解Scala与Java的互操作性以及应用设计的相关知识，为你的软件开发工作提供一些参考和启示。

以下是一个简单的mermaid流程图，展示了应用设计的基本流程：

graph LR
    A[需求分析] --> B[架构设计]
    B --> C[模块设计]
    C --> D[详细设计]
    D --> E[编码实现]
    E --> F[测试与优化]
    F --> G[部署与维护]

总之，在软件开发的道路上，我们需要不断探索和实践，才能不断提高自己的技术水平和应用设计能力。