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Java 中的 Sealed Class：深入探索与实践

简介

在 Java 17 中，引入了 sealed class 这一特性，它为类型层次结构的控制提供了一种新的方式。sealed class 允许开发者明确地限制一个类可以被哪些类继承，这在很多场景下有助于增强代码的可读性、可维护性以及安全性。本文将详细介绍 sealed class 的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，帮助你更好地掌握这一特性。

目录

  1. 基础概念
  2. 使用方法
    • 声明 sealed class
    • 允许的子类
  3. 常见实践
    • 状态机实现
    • 错误处理
  4. 最佳实践
    • 保持层次结构简洁
    • 文档化子类列表
  5. 小结
  6. 参考资料

基础概念

sealed class 是一种受限制的类，它限制了哪些类可以继承它。通过使用 sealed 关键字声明一个类，你可以明确地列出允许继承该类的子类。这种机制确保了类型层次结构的可控性，使得代码的行为更加可预测。

使用方法

声明 sealed class

声明一个 sealed class 非常简单，只需要在类声明前加上 sealed 关键字即可。例如：

public sealed class Shape permits Circle, Rectangle {
    // 通用的形状属性和方法
}

在上述代码中，Shape 是一个 sealed class，permits 关键字后面列出了允许继承 Shape 的子类 Circle 和 Rectangle。

允许的子类

被允许继承 sealed class 的子类需要满足一定的条件： 1. 它们必须直接或间接位于与 sealed class 相同的模块中。 2. 子类必须使用 final、sealed 或 non-sealed 关键字进行修饰。

例如，Circle 和 Rectangle 可以这样定义：

public final class Circle extends Shape {
    // 圆的属性和方法
}

public sealed class Rectangle extends Shape permits Square {
    // 矩形的属性和方法
}

public final class Square extends Rectangle {
    // 正方形的属性和方法
}

在这个例子中，Circle 是 final 类，不能再被继承；Rectangle 是 sealed class，它又限制了 Square 是其允许的子类。

常见实践

状态机实现

sealed class 在状态机实现中非常有用。例如，考虑一个简单的电梯状态机：

public sealed class ElevatorState permits IdleState, MovingState, DoorOpenState {
    // 通用的电梯状态方法
    public abstract void handleRequest();
}

public final class IdleState extends ElevatorState {
    @Override
    public void handleRequest() {
        // 处理空闲状态下的请求
    }
}

public final class MovingState extends ElevatorState {
    @Override
    public void handleRequest() {
        // 处理移动状态下的请求
    }
}

public final class DoorOpenState extends ElevatorState {
    @Override
    public void handleRequest() {
        // 处理门打开状态下的请求
    }
}

通过这种方式，我们可以清晰地定义电梯的不同状态，并且确保状态的层次结构是可控的。

错误处理

在错误处理场景中，sealed class 可以帮助我们组织不同类型的错误。例如：

public sealed class AppError permits NetworkError, DatabaseError {
    // 通用的错误处理方法
    public abstract String getErrorMessage();
}

public final class NetworkError extends AppError {
    @Override
    public String getErrorMessage() {
        return "Network connection error";
    }
}

public final class DatabaseError extends AppError {
    @Override
    public String getErrorMessage() {
        return "Database operation error";
    }
}

这样，在捕获错误时，我们可以更方便地根据具体的错误类型进行处理。

最佳实践

保持层次结构简洁

尽量保持 sealed class 的层次结构简洁，避免过于复杂的继承关系。过多的层次和子类可能会使代码难以理解和维护。

文档化子类列表

在声明 sealed class 时，清晰地文档化允许的子类列表。这样可以帮助其他开发者快速了解类型层次结构和限制。例如：

/**
 * 形状类，是一个sealed class。
 * 允许的子类有Circle和Rectangle。
 */
public sealed class Shape permits Circle, Rectangle {
    // 通用的形状属性和方法
}

小结

sealed class 是 Java 中一个强大的特性，它为类型层次结构的控制提供了更好的方式。通过明确限制子类，我们可以提高代码的可读性、可维护性和安全性。在实际开发中，合理运用 sealed class 可以解决很多常见的问题，如状态机实现和错误处理。遵循最佳实践，保持层次结构简洁并文档化子类列表，能让我们更好地利用这一特性。

参考资料