基於 Scala Trait 的設計模式

張_逸發表於2017-04-24
AI設計模式

在《作為Scala語法糖的設計模式》博文中，我重點介紹了那些已經融入Scala語法的設計模式。今天要介紹的兩個模式，則主要與Scala的trait有關。

Decorator Pattern

在GoF 23種設計模式中，Decorator Pattern算是一個比較特殊的模式。它充分利用了繼承和組合（或者委派）各自的優勢，將它們混合起來，不僅讓優勢擴大，還讓各自的缺點得到了抵消。Decorator模式的核心思想其實是“職責分離”，即將要裝飾的職責與裝飾的職責分離，從而使得它們可以在各自的繼承體系下獨立演化，然後通過傳遞物件（組合）的形式完成對被裝飾職責的重用。

從某種角度來講，裝飾職責與被裝飾職責之間的分離與各自抽象，不妨可以看做是Bridge模式的變種。但不同之處在於Decorator模式又額外地引入了繼承，但不是為了重用，而是為了多型，使得裝飾者因為繼承自被裝飾者，從而擁有了被裝飾的能力。所以說，繼承的引入真真算得上是點睛之筆了。

理解Decorator模式，一定要理解繼承與組合各自扮演的角色。簡而言之，就是：

  • 繼承：裝飾者的多型
  • 組合：被裝飾者的重用

正因為此，在Java程式碼中實現Decorator模式，要注意裝飾器類在重寫被裝飾器的業務行為時，一定要通過傳入的物件來呼叫被裝飾者的行為。假設傳入的被裝飾者物件為decoratee，則呼叫時就一定是decoratee，而不是super（由於繼承的關係，裝飾類是可以訪問super的）。

例如BufferedOutputStream類作為裝飾類，要裝飾OutputStream的write行為，就必須這樣實現：

public interface OutputStream {
    void write(byte b);
    void write(byte[] b);
}
public class FileOutputStream implements OutputStream { /* ... */ }
public class BufferedOutputStream extends OutputStream {
    //這裡是組合的被裝飾者    
    protected final OutputStream decoratee;
    public BufferedOutputStream(OutputStream decoratee) {
        this.decoratee = decoratee;
    }

    public void write(byte b) {
        //這裡應該是呼叫decoratee, 而非super，雖然你可以訪問super    
        decoratee.write(buffer)
    }
}複製程式碼

然而，在Scala中實現Decorator模式，情況卻有些不同了。Scala的trait既體現了Java Interface的語義，卻又可以提供實現邏輯（相當於Java 8的default interface），並在編譯時採用mixin方式完成程式碼的重用。換言之，trait已經完美地融合了繼承與組合的各自優勢。因此，在Scala中若要實現Decorator模式，只需要定義trait去實現裝飾者的功能即可：

trait OutputStream {
  def write(b: Byte)
  def write(b: Array[Byte])
}
class FileOutputStream(path: String) extends OutputStream { /* ... */ }
trait Buffering extends OutputStream {
  abstract override def write(b: Byte) {
    // ...
    super.write(buffer)
  }
}複製程式碼

在Buffering的定義中，根本看不到組合的影子，且在對write方法進行重寫時，呼叫的是super，這與我前面講到的內容背道而馳啊！

區別在於組合（delegation）的時機。在Java（原諒我，因為使用Scala的緣故，我對Java 8的default interface沒有研究，不知道是否與scala的trait完全相同）語言中，組合是通過傳遞物件方式完成的職責委派與重用，也就是說，組合是在執行時發生的。Scala的實現則不然，在trait中利用abstract override關鍵字來完成一種stackable modifications，這種方式被稱之為Stackable Trait Pattern。這種語法僅能用於trait，它表示trait會將某個具體類針對該方法提供的實現混入（mixin）到trait中。裝飾的客戶端程式碼如下：

new FileOutputStream("foo.txt") with Buffering複製程式碼

FileOutputStream的write方法實現在編譯時就被混入到Buffering中。所以可以稱這種組合為靜態組合。

Dependency Injection

Dependency Injection(依賴注入或者稱為IoC，即控制反轉)其實應該與依賴倒置原則結合起來理解，首先應該保證不依賴於實現細節，而是依賴於抽象（介面），然後，再考慮將具體依賴從類的內部轉移到外面，並在執行時將依賴注入到類的內部。這也是Dependency Injection的得名由來。

在Java世界，多數情況下我們會引入框架如Spring、Guice來完成依賴注入（這並不是說依賴注入一定需要框架，嚴格意義上，只要將依賴轉移到外面，然後通過set或者構造器注入依賴，都可以認為是實現了依賴注入），無論是基於xml配置，還是annotation，或者Groovy，核心思想都是將物件之間的依賴設定（裝配）轉交給框架來完成。Scala也有類似的IoC框架。但是，多數情況下，Scala程式設計師會充分利用trait與self type來實現所謂的依賴注入。這種設計模式在Scala中常常被暱稱為Cake Pattern。

一個典型的案例就是將一個Repository的實現注入到Service中。在Scala中，就應該將Repository的抽象定義為trait，然後在具體的Service實現中，通過Self Type引入Repository：

trait Repository {
  def save(user: User)
}
trait DatabaseRepository extends Repository { /* ... */ }
trait UserService { 
  self: Repository => 
  def create(user: User) {
    //這裡呼叫的是Repository的save方法
    //呼叫Self Type的方法就像呼叫自己的方法一般
    save(user)
  }
}

//這裡的with完成了對DatabaseRepository依賴的注入
new UserService with DatabaseRepository複製程式碼

Cake Pattern遵循了Dependency Inject的要求，只是它沒有像Spring或者Guice那樣徹底將注入依賴的職責轉移給外部框架，而是將注入的權利交到了呼叫者手裡。這樣會導致呼叫端程式碼並沒有完全與具體依賴解耦，但在大多數情況下，這種輕量級的依賴注入方式，反而更討人喜歡。

在Scala開發中，我們常常會使用Cake Pattern。在我的一篇部落格《一次設計演進之旅》中，就引入了Cake Pattern來完成將ReportMetadata依賴的注入。

說明：文中示例程式碼主要來自Pavel Fatin的部落格Design Patterns in Scala。

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