~ read.

从 Swift 的面向协议编程说开去

写在最前

文章标题谈到了面向协议编程(下文简称 POP),是因为前几天阅读了一篇讲 Swift 中 POP 的文章。本文会以此为出发点,聊聊相关的概念,比如接口、mixin、组合模式、多继承等,同时也会借助各种语言中的例子来阐述我的思想。

那些老生常谈的概念,相信每位读者都耳熟能详了,我当然不会无聊到浪费时间赘述一遍。我会试图从更高一层的角度对他们做一个总结,不过由于经验和水平有限,也难免有所疏漏,欢迎交流讨论。

最后啰嗦一句:

没有银弹

Swift 的 POP

Swift 非常强调 POP 的概念,如果你是一名使用 Objective-C (或者 Java 等某些语言)的老程序员,你可能会觉得这是一种“新”的编程概念。甚至有些文章喊出了:“放弃面向对象,改为面向协议”的口号。这种说法从根本上讲就是完全错误的。

面向接口

首先,面向协议的思想已经提出很多年了,很多经典书籍中都提出过:“面向接口编程,而不是面向实现编程”的概念。

这句话很好理解,假设我们有一个类——灯泡,还有一个方法,参数类型是灯泡,方法中可以调用灯泡的“打开”和“关闭”方法。用面向接口的思想来写,就会把参数类型定义为某个接口,比如叫 Openable,并且在这个接口中定义了打开和关闭方法。

这样做的好处在于,假设你将来又多了一个类,比如说是电视机,只要它实现了 Openable 接口,就可以作为上述方法的参数使用。这就满足了:“对拓展开放,对修改关闭”的思想。

很自然的想法是,为什么我不能定义一个灯泡和电视机的父类,而是偏偏选择接口?答案很简单,因为灯泡和电视机很可能已经有父类了,即使没有,也不能如此草率的为它们定义父类。

接口的缺点

所以在这个阶段,你暂且可以把接口理解为一种分类,它可以把多个毫无关系的类划分到同一个种类中。但是接口也有一个重大缺陷,因为它只是一种约束,而非一种实现。也就是说,实现了某个接口的类,需要自己实现接口中的方法。

有时候你会发现,其实像继承那样,拥有默认实现也是一件挺好的事。还是以灯泡举例,假设所有电器每一次开、关都要发出声音,那么我们希望 Openable 接口能提供一个默认的 openclose 的方法实现,其中可以调用发出声音的函数。再比如我的电器需要统计开关次数,那我就希望 Openable 协议定义了一个 count 变量,并且在每次开关时对它做统计。

显然使用接口并不能完成上述需求,因为接口对代码复用的支持非常差,因此除了某些非常大型的项目(比如 JDBC),在客户端开发中(比如 Objective-C)使用面向接口的场景并不非常多见。

Swift 的改进

Swift 之所以如此强调 POP,首先是因为面向协议编程确实有它的优点。想象如下的继承关系:

B、C 继承自 A,B1、B2继承自 B,C1、C2继承自 C

如果你发现 B1C2 具有某些共同特性,完全使用继承的做法是找到 B1C2 的最近祖先,也就是 A,然后在 A 中添加一段代码。于是你还得重写 B2C1,禁用这个方法。这样做的结果是 A 的代码越来越庞大臃肿, 变成了一个上帝类(God Class),后续的维护非常困难。

如果使用接口,则又回到了上述问题,你得把方法实现在 B1C2 中写两次。之所以在 Swift 中强调 POP,正是因为 Swift 为协议提供了拓展功能,它能够为协议中规定的方法提供默认实现。现在让 B1C2 实现这个协议,既不影响类的继承结构,也不需要写重复代码。

似乎 Swift 的 POP 毫无问题?答案显然是否定的。

多继承

如果站在更高的角度来看 Protocol Extension,它并不神奇,仅仅是多继承的一种实现方式而已。理论上的多继承是有问题的,最常见的就是 Diamond Problem。它描述的是这种情况:

B、C 继承自 A,D 继承自 B 和 C

如下图所示(图片摘自维基百科):

Diamond Problem

如果类 A、B、C 都定义了方法 test,那么 D 的实例对象调用 test 方法会是什么结果呢?

可以认为几乎所有主流语言都支持多继承的思想,但并不都像 C++ 那样支持显式的定义多继承。尽管如此,他们都提供了各种解决方案来规避 Diamond Problem,而 Diamond Problem 的核心其实是不同父类中方法名、变量名的冲突问题。

我选择了五种常见语言,总结出了四种具有代表性的解决思路:

  1. 显式支持多继承,代表语言 Python、C++
  2. 利用 Interface,代表语言 Java
  3. 利用 Trait,代表语言 Swift、Java8
  4. 利用 Mixin,代表语言 Ruby

显式支持多继承

最简单方式就是直接支持多继承,具有代表性的是 C++ 和 Python。

C++

在 C++ 中,你可以规定一个类继承自多个父类,实际上这个类会持有多个父类的实例(虚继承除外)。当发生函数名冲突时,程序员需要手动指定调用哪个父类的方法,否则就无法编译通过:

#include <iostream>
using namespace std;  
class A {  
public:  
    void test() {
        cout << "A\n";
    }
};

class B: public A {  
public:  
    void test() {
        cout << "B\n";
    }
};

class C: public A {  
public:  
    void test() {
        cout << "C\n";
    }
};

class D: public B, public C {};

int main(int argc, char *argv[]) {  
    D *d = new D();
//    d->test(); // 编译失败,必须指定调用哪个父类的方法。
    d->B::test();
    d->C::test();
}

可见,C++ 给予程序员手动管理的权利,代价就是实现比较复杂。

Python

Python 解决函数名冲突问题的思路是: 把复杂的继承树简化为继承链。为此,它采用了 C3 Linearization 算法,这种算法的结果与继承顺序有密切关系,以下图为例:

继承树

假设继承的顺序如下:

  • class K1 extends A, B, C
  • class K2 extends D, B, E
  • class K3 extends D, A
  • class Z extends K1, K2, K3

求 Z 的继承链其实就是将 [[K1、A、B、C]、[K2、D、B、E]、[K3、D、A]] 这个序列扁平化的过程。

我们首先遍历第一个元素 K1,如果它只出现在每个数组的首位,就可以被提取出来。在这里,显然 K1 只出现在第一个数组的首位,所以可以提取。同理,K2K2 都可以提取。于是上述问题变成了:

[K1、K2、K3、[A、B、C]、[D、B、E]、[D、A]]

接下来会遍历到 A,因为它在第三个数组的末尾出现过,所以不能提取。同理 BC 也不满足要求。最后发现 D 满足要求,可以提取。以此类推……完整的文档可以参考 WikiPedia

最终的继承链是: [K1, K2, K3, D, A, B, C, E],这样多继承就被转化为了单继承,自然也就不存在方法名冲突问题。

可见,Python 没有给程序员选择的权利,它自动计算了继承关系,我们也可以利用 __mro__ 来查看继承关系:

class A(object):  
    pass
class B(A):  
    pass
class C(A):  
    pass
class D(B, C):  
    pass
class E(C, B):  
    pass
print(D.__mro__)  
print(E.__mro__)  
# (<class '__main__.D'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.C'>, <class '__main__.A'>, <type 'object'>)
# (<class '__main__.E'>, <class '__main__.C'>, <class '__main__.B'>, <class '__main__.A'>, <type 'object'>)

Interface

Java 的 Interface 采用了一种截然不同的思路,虽然它也是一种多继承,但仅仅是“规格继承”,也就是说只继承自己能做什么,但不继承怎么做。这种方法的缺点已经提过了,这里仅仅解释一下它是如何处理冲突问题的。

在 Java 中,即使一个类实现了多个协议,且这些协议中规定了同名方法,这个类也仅能实现一次,于是多个协议共享同一套实现,笔者认为这不是一种好的解决思路。

在 Java 8 中,协议中的方法可以添加默认实现。当多个协议中有方法冲突时,子类必须重写方法(否则就报错), 并且按需调用某个协议中的默认实现(这一点很像 C++):

interface HowEat{  
    public abstract String howeat();
    default public  void test() {
        System.out.println("tttt");
    }
}

interface HowToEat {  
    public abstract String howeat();
    default public void test() {
        System.out.println("yyyy");
    }
}

class Untitled implements HowEat, HowToEat {  
    public void test() {
        HowEat.super.test(); // 选择 HowEat 协议中的实现,输出 tttt
        System.out.println("ssss");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Untitled t = new Untitled();
        System.out.println(t.howeat());
        t.test();
    }
}

Trait

尽管提供协议方法的默认实现在不同语言中有不同的称谓,一般我们将其称为 Trait,可以简单理解为 Trait = Interface + Implementation

Trait 是一种相对优雅的多继承解决方案,它既提供了多继承的概念,也不改变原有继承结构,一个类还是只能拥有一个父类。在不同语言中,Trait 的实现细节也不尽相同,比如 Swift 中,我们在重写方法时,只能调用没有定义在 Protocol 中的方法,否则就会产生段错误:

protocol Addable {  
//    func add(); // 这里必须注释掉,否则就报错
}

extension Addable {  
    func add() { print ("Addable add"); }
}

class CustomCollection {}

extension CustomCollection: Addable {  
    func add() {
        (self as Addable).add()
        print("CustomCollection add");
    }
}

var c = CustomCollection()  
c.addAll()  

查阅相关资料后发现,这和 Swift 方法的静态派发与动态派发有关。

Mixin

另一种与 Trait 类似的解决方案叫做 Mixin,它被 Ruby 所采用,可以理解为 mixin = trait + local_variable。在 Ruby 中,多继承的层次结构更加扁平,可以这么理解:“一旦某个模块被 mixin 进来,它的宿主模块立刻就拥有了 mixin 模块的所有属性和方法”,就像 OC 中的 runtime 一样,这更像是一种元编程的思想:

module Mixin  
    Ss = "mixin"
    define_method(:print) { puts Ss }
end

class A  
    include Mixin
    puts Ss
end

a = A.new()  
a.print  # 输出 mixin  

总结

相比于完全允许多继承(C++/Python)和几乎完全不允许多继承(Java)而言,使用 Trait 或者 Mixin 显得更加优雅。虽然它们有时候并不能很方便的指定调用某一个“父类”中的方法, 但这种利用单继承来模拟多继承的的思想有它独特的有点: “不改变继承树”,稍后会做分析。

继承与组合

文章的开头我曾经说过,Swift 的 POP 并不是一件多么了不起的事,除了面向接口的思想早就被提出以外, 它的本质还是继承,也就无法摆脱继承关系的天然缺陷。至于说 POP 取代 OOP,那就更是无稽之谈了,多继承也是 OOP,一种略优雅的实现方式如何称得上是取代呢?

继承的缺点

有人说继承的本质不是自下而上的抽象,而是自上而下的细化,我自认没有领悟到这一层,不过使用继承的主要目的之一就是实现代码复用。在 OOP 中,使用继承关系,我们享受了封装、多态的优点,但不正确的使用继承往往会自食其果。

封装

一旦你继承了父类,就会立刻拥有父类所有的方法和属性,如果这些方法和属性并非你本来就希望对外暴露的,那么使用继承就会破坏原有良好的封装性。比如,你在定义 Stack 时可能会继承自数组:

class Stack extends ArrayList {  
    public void push(Object value) { … }
    public Object pop() { … }
}

虽然你成功的在数组的基础上添加了 pushpop 方法,但这样一来就把数组的其他方法也暴露给外界了,而这些方法并非是 Stack 所需要的。

换个思路考虑问题,什么时候才能暴露父类的接口呢,答案是:“当你是父类的一种细化时”,这也就是我们强调的 is-a 的概念。只有当你确实是父类,能在任何父类出现的地方替换父类(里氏替换原则)时,才应该使用继承。在这里的例子中,栈显然并不是数组的细化,因为数组是随机访问(random-access),而栈是线性访问。

这种情况下,正确的做法是使用组合,即定义一个类 Stack,并持有数组对象用来存取自身的数据,同时仅对外暴露必要的 pushpop 方法。

另一种可能的破坏封装的行为是让业务相关的类继承自工具类。比如有一个类的内部需要持有多个 Customer 对象,我们应该选择组合模式,持有一个数组而不是直接继承自数组。理由也很类似,业务模块应该对外屏蔽实现细节。

这个概念同样适用于 Stack 的例子,相比于数组实现而言,栈是一种具备了特殊规则的业务实现,它不应该对外暴露数组的实现接口。

多态

多态是 OOP 中一种强有力的武器,由于 is-a 关系的存在,子类可以直接被当成父类使用。这样子类就与父类具备了强耦合关系,任何父类的修改都会影响子类,这样的修改会影响子类对外暴露的接口,从而造成所有子类实例都需要修改。与之相对应的组合模式,在“父类”发生变动时,仅仅影响子类的实现,但不影响子类的接口,因此所有子类的实例都无需修改。

除此以外,多态还有可能造成非常严重的 bug:

public class CountingList<T> extends ArrayList<T> {  
  private int counter = 0;

  @Override
  public void add(T elem) {
    super.add(elem);
    counter++;
  }

  @Override
  public void addAll(Collection<T> other) {
    super.addAll(other);
    counter += other.size();
  } 
}

这里的子类重写了 add 方法的实现,会将 count 计数加一。但是问题在于,子类的 addAll 方法已经加了计数,并且它会调用父类的 addAll 方法,父类的方法中会依次调用 add 方法。注意,由于多态的存在,调用的其实是子类的 add 方法,也就是说最终的结果 count 比预期值扩大了一倍。

更加严重的是, 如果父类由 SDK 提供,子类完全不知道父类的实现细节, 根本不可能意识到导致这个错误的原因。想要避免上述错误,除了多积累经验外,还要在每次使用继承前反复询问自己,子类是否是父类的细化,具备 is-a 关系,而不是仅仅为了复用代码。

同时还应该检查,子类与父类是否具备业务与实现的关系,如果答案是肯定的,那么应该考虑使用复合。比如在这个例子中,子类的作用是为父类添加计数逻辑,偏向于业务实现,而非父类(偏向于实现)的细化,所以不适合使用继承。

组合

尽管我们常说优先使用组合,组合模式也不是毫无缺点。首先组合模式破坏了原来父类和子类之间的联系。多个使用组合模式的“子类”不再具有共同点,也就无法享受面向接口编程或者多态带来的优势。

使用组合模式更像是一种代理,如果你发现被持有的类有大量方法需要外层的类进行代理,那么就应该考虑使用继承关系。

再看 POP

对于使用 Trait 或 Mixin 模式的语言来说,虽然本质上还是继承,但由于坚持单继承模型,不存在 is-a 的关系,自然就没有上述多态的问题。

有兴趣的读者可以选择 Swift 或者 Java 来尝试实现。

从这个角度来看,Swift 的 POP 模拟了多继承关系,实现了代码的跨父类复用,同时也不存在 is-a 关系。但它依然是使用了继承的思想,所以并非银弹。在使用时依然应该仔细考虑,区分与组合模式的区别,作出合理选择。

参考资料

  1. Ruby: How do I access module local variables?
  2. Swift protocol extension method dispatch
  3. Composition vs. Inheritance: How to Choose?
  4. Protocol-Oriented Programming in Swift
  5. Multiple inheritance
  6. python c3 linearization