21、Scala 最佳实践与设计模式解析

Scala 最佳实践与设计模式解析

1. 使用 Option 替代空值检查

在 Scala 编程中，首要原则是杜绝代码中出现 null 。任何方法都不应返回 null 。当调用可能返回 null 或因输入问题抛出异常的 Java 库时，应将其转换为 Option 类型。

例如，在将字符串解析为整数时，可采用这种方式。以下是一个 Java 方法示例：

public Int computeArea() { ... }

此方法可能返回 null ，但仅从方法定义无法得知这一点。调用者必须在代码中添加空值检查，若该方法实际上从未返回 null ，这些检查只会让代码变得冗余。

而在 Scala 中，可这样编写：

def computeArea: Option[Int] = { ... }

通过返回 Option[Int] 类型，调用者能明确该方法可能不返回整数。在实现时，可使用 Some 和 None 类型来确定返回值：

computeArea match {
  case Some(area) => ...
  case None => ...
}

使用 Option 有两个显著优点：一是避免了空指针异常；二是促使代码风格更具转换性和功能性，有助于培养函数式编程思维。Scala 支持 Null 类型是为了与 Java 兼容， None 是 Some 的对应类型，用于避免空引用。

2. 无情重构代码

起初，可像编写 Java 代码一样编写 Scala 代码，之后逐步应用所学的 Scala 惯用法。以下是一个命令式代码示例：

def validByAge(in: List[Person]): List[String] = {
  var valid: List[Person] = Nil
  for (p <- in) {
    if (p.valid) valid = p :: valid
  }
  def localSortFunction(a: Person, b: Person) = a.age < b.age
  val people = valid.sort(localSortFunction _)
  var ret: List[String] = Nil
  for (p <- people) {
    ret = ret ::: List(p.first)
  }
  return ret
}

重构步骤如下：
- 将 var 转换为 val ：

def validByAge(in: List[Person]): List[String] = {
  val valid: ListBuffer[Person] = new ListBuffer // displaced mutability
  for (p <- in) {
    if (p.valid) valid += p
  }
  def localSortFunction(a: Person, b: Person) = a.age < b.age
  val people = valid.toList.sort(localSortFunction _)
  val ret: ListBuffer[String] = new ListBuffer
  for (p <- people) {
    ret += p.first
  }
  ret.toList
}

• 将可变数据结构转换为不可变数据结构 ：

def validByAge(in: List[Person]): List[String] = {
  val valid = for (p <- in if p.valid) yield p
  def localSortFunction(a: Person, b: Person) = a.age < b.age
  val people = valid.sort(localSortFunction _)
  for (p <- people) yield p.first
}

• 将方法转换为单语句形式 ：

def validByAge(in: List[Person]): List[String] =
  in.filter(_.valid).
    sort(_.age < _.age).
    map(_.first)

也可采用另一种重构方式：

def filterValid(in: List[Person]) = in.filter(p => p.valid)
def sortPeopleByAge(in: List[Person]) = in.sort(_.age < _.age)
def validByAge(in: List[Person]): List[String] =
  (filterValid _ andThen sortPeopleByAge _)(in).map(_.name)

无论选择哪种重构方式，代码的业务逻辑都会更加清晰，同时也能让开发者更关注代码中的转换操作，而非循环结构。

3. 函数组合与类组合

在之前的示例中，我们将 filterValid 和 sortPeopleByAge 组合成一个新的函数：

(in: List[Person]) => sortPeopleByAge(filterValid(in))

函数组合使代码更易读，且便于测试。将方法转换为单语句形式是函数组合的基础，而函数组合是 Scala 编程的高级特性。

随着 Scala 编程技能的提升，在重构类时，可找出接口和特质中的公共方法，将其从具体类移至特质中。这样，许多类将只包含特定于该类的逻辑和评估该逻辑所需的 val 。此时，特质会更加多态，代表可应用于特定类型的逻辑，标志着已真正掌握 Scala 编程思维。

4. Scala 设计模式

设计模式是解决面向对象编程中常见设计问题的可复用方案，不同编程语言对设计模式的支持和实现方式有所不同。以下是几种常见的 Scala 设计模式：
| 设计模式 | 描述 | Java 实现示例 | Scala 实现示例 |
| — | — | — | — |
| 单例模式 | 确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点 | java<br>public class JavaSingleton{<br> private static JavaSingleton instance = null ;<br> private JavaSingleton() { }<br> public static getInstance ( ) {<br> if( instance == null) {<br> instance = new JavaSingleton();<br> }<br> return instance ;<br> }<br>}<br> | scala<br>object ScalaSingleton{}<br> |
| 工厂方法模式 | 封装选择和实例化实现类的功能，解除客户端类与服务提供者实现类之间的紧密耦合 | java<br>public interface Vehicle {}<br>private class Car implements Vehicle {}<br>private class Bike implements Vehicle {}<br>public class VehcileFactory {<br> public static Vehicle createVehicle(String type) {<br> if ("bike".equals(type)) return new Bike();<br> if ("car".equals(type)) return new Car();<br> throw new IllegalArgumentException();<br> }<br>}<br>VehicleFactory.createVehicle("car");<br> | scala<br>trait Vehcile<br>private class Car extends Vehcile<br>private class Bike extends Vehicle<br>object Vehicle {<br> def apply(type: String) = kind match {<br> case "car" => new Car()<br> case "bike" => new Bike()<br> }<br>}<br>Vehicle("car")<br> |
| 策略模式 | 允许在运行时选择算法，定义一组封装的算法，并使算法与使用它的客户端松散耦合 | java<br>public interface Strategy {<br> int operation(int a, int b);<br>}<br>public class Add implements Strategy {<br> public int operation(int a, int b) { return a + b; }<br>}<br>public class Multiply implements Strategy {<br> public int operation(int a, int b) { return a * b; }<br>}<br>public class Context {<br> private final Strategy strategy;<br> public Context(Strategy strategy) { this.strategy = strategy; }<br> public void execute(int a, int b) { strategy.operation(a, b); }<br>}<br>new Context(new Multiply()).execute(5, 5);<br> | scala<br>type Strategy = (Int, Int) => Int<br>class Context(operation: Strategy) {<br> def execute(a: Int, b: Int) { operation(a, b) }<br>}<br>val add: Strategy = _ + _<br>val multiply: Strategy = _ * _<br>new Context(multiply).execute(5, 5)<br> |
| 模板方法模式 | 由抽象类定义一个过程，该过程由抽象子方法组成 | java<br>public abstract class Template{<br> public void process(){<br> subMethodA();<br> subMethodB();<br> }<br> protected abstract void subMethodA();<br> protected abstract void subMethodB();<br>}<br> | scala<br>def process( operation<br> subMethodA: () => Unit,<br> subMethodB: () => Unit) = () => {<br> subMethodA()<br> subMethodB ()<br>}<br> |
| 适配器模式 | 使接口不兼容的类能够协同工作，通过定义一个包装类将不兼容接口转换为期望的接口 | java<br>public interface ServiceProviderInterface {<br> void service(String property);<br>}<br>public final class ServiceProviderImplementation{<br> void service(String type, String property) { /* ... */ }<br>}<br>public class Adapter implements ServiceProviderInterface {<br> private final ServiceProviderImplementation impl;<br> public Adapter (ServiceProviderImplementation impl) { this.impl = impl; }<br> public void service(String property) {<br> impl.service(TYPEA, property);<br> }<br>}<br>ServiceProviderInterface service = new Adapter(new ServiceProviderImplementation ());<br> | scala<br>trait ServiceProviderInterface {<br> def service(message: String)<br>}<br>final class ServiceProviderImplementation {<br> def service(type: String, property: String) { /* ... */ }<br>}<br>implicit class Adapter(impl: ServiceProviderImplementation) extends ServiceProviderInterface {<br> def service(property: String) { impl.service(TYPEA, property) }<br>}<br>val service: ServiceProviderInterface = new ServiceProviderImplementation ()<br> |

这些设计模式展示了 Scala 在解决常见设计问题时的独特方式，利用了 Scala 的语言特性，使代码更简洁、灵活和易于维护。

5. 设计与架构的重要性

设计和构建复杂的计算机软件至关重要，社会的各个方面都依赖于互联计算机系统的稳定性和灵活性。Scala 提供了许多工具，有助于做出更好的架构决策，使开发者更容易实现架构稳固的设计。掌握 Scala 的最佳实践和设计模式，能提升软件的质量和可维护性，为开发复杂软件奠定坚实基础。

Scala 最佳实践与设计模式解析（续）

5. 设计与架构的深入探讨

在软件设计和架构方面，Scala 凭借诸多特性让开发者能够做出更优决策，推动代码朝着更高质量和可维护性的方向发展。

5.1 架构对系统和团队的影响

复杂的计算机软件系统是社会运转的关键支撑，从汽车、银行到杂货店、医院和警察局，都依赖于相互连接的计算机系统。而这些系统的稳定运行离不开我们所编写的软件。良好的架构设计对于整体系统性能和团队协作至关重要。Scala 提供的丰富工具使得开发者在进行架构设计时更加得心应手，相较于 Java 或 Ruby，Scala 能让开发者更轻松地实现架构稳固的设计。

5.2 Scala 工具助力架构决策

Scala 的多范式特性，如函数式编程和面向对象编程的融合，为架构设计提供了更多的灵活性。例如，在处理复杂业务逻辑时，可以使用函数式编程的纯函数和不可变数据结构，提高代码的可测试性和可维护性；而在构建对象模型时，面向对象编程的特性又能很好地组织代码结构。

同时，Scala 的类型系统强大且灵活，能够在编译时发现许多潜在的错误，减少运行时的问题。类型推断功能也让代码更加简洁，开发者可以将更多的精力放在业务逻辑的实现上。

6. 总结与展望

通过对 Scala 最佳实践和设计模式的学习，我们可以看到 Scala 在软件设计和开发领域的巨大优势。以下是对本文内容的总结：

最佳实践/设计模式	核心要点
使用 Option 替代空值检查	避免空指针异常，培养函数式编程思维
无情重构代码	从命令式到函数式，让代码更清晰，关注转换操作
函数组合与类组合	提高代码可读性和可测试性，体现 Scala 高级编程思维
单例模式	确保类只有一个实例，Scala 用 object 简洁实现
工厂方法模式	封装实例化逻辑，解除耦合，Scala 利用 apply 方法
策略模式	运行时选择算法，Scala 用函数类型实现
模板方法模式	抽象类定义过程，Scala 用高阶函数替代子类
适配器模式	解决接口不兼容问题，Scala 用隐式类自动适配

未来，随着软件系统的不断发展和复杂化，Scala 的优势将更加凸显。开发者可以进一步探索 Scala 的高级特性，如宏编程、并行编程等，以应对更具挑战性的项目。同时，结合 Scala 的生态系统，如 Play 框架、Akka 框架等，能够构建出更加高效、稳定和可扩展的软件系统。

以下是一个简单的 mermaid 流程图，展示了从 Scala 代码编写到架构设计的一般过程：

graph LR
    A[编写命令式 Scala 代码] --> B[使用最佳实践重构代码]
    B --> C[应用设计模式优化架构]
    C --> D[构建高效稳定软件系统]

总之，掌握 Scala 的最佳实践和设计模式，将为开发者在软件设计和开发领域带来更多的可能性和竞争力，帮助我们构建出更加优秀的软件系统。