Java 7 to 17 SealedClasses

一、前言

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Java 的密封類 (Sealed Classes) 是在 Java 15 (作為預覽功能) 引入，並在 Java 17 中正式成為標準功能的一項重要的語言特性。它的主要目的是為了限制類的繼承。 在沒有密封類之前，一個類可以被任何其他類繼承。密封類允許你明確地指定哪些類可以繼承它，從而提供更強大的控制權和封裝性。這對於建立可靠且可維護的類層次結構至關重要，尤其是在處理複雜的 API 設計時。 本文將從 Java 7 遷移至 Java 17 的角度，深入探討密封類的概念、使用方式、優點、以及相關的架構設計和範例。

目錄

• 一、前言
  • 目錄
• 二、密封類的基本概念
• 三、密封類的優點
• 四、架構設計與工具
• 五、範例
• 六、與Java 7至14的遷移考量
• 七、總結

二、密封類的基本概念

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密封類的核心思想是 限制繼承 。一個密封類 (sealed class) 只能被預先定義好的類繼承。 這些允許繼承的類稱為 許可的子類 (permitted subclasses) 。 如果一個類被聲明為 sealed ，則必須使用 permits 關鍵字來聲明允許繼承它的類。

基本語法：

sealed class BaseClass permits ClassA, ClassB, ClassC { // ... } final class ClassA extends BaseClass { // ... } final class ClassB extends BaseClass { // ... } sealed class ClassC extends BaseClass permits ClassD, ClassE{ // ... } final class ClassD extends ClassC{ } non-sealed class ClassE extends ClassC{ }

重要規則：

• sealed 關鍵字: 用於聲明一個類為密封類。
• permits 關鍵字: 用於指定允許繼承該密封類的類。
• 所有許可的子類必須與密封類在同一個模組中。
• 每個許可的子類必須直接或間接地繼承密封類。
• 每個許可的子類必須聲明其繼承方式: final (禁止繼承), sealed (仍然是密封類), 或 non-sealed (開放繼承，回到傳統的繼承規則)。

三、密封類的優點

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密封類提供了以下優點：

• 更好的封裝性: 密封類可以精確地控制哪些類可以繼承它，避免未預期的子類化。
• 更強的類型安全性: 編譯器可以利用密封類的知識進行更徹底的類型檢查，提高程式碼的安全性。
• 更好的可維護性: 通過明確的繼承關係，可以更容易地理解和修改類層次結構。
• 模式匹配的優化: 在 switch 表達式或 instanceof 運算符中，可以對密封類的子類進行更精確的模式匹配，編譯器可以驗證所有可能的子類都被考慮到，減少 default 分支的使用，提高程式碼的可靠性。

四、架構設計與工具

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密封類主要影響了類層次結構的設計。 在設計 API 時，可以考慮使用密封類來限制外部程式碼對內部類的繼承，從而保證 API 的穩定性和安全性。

架構設計模式：

• 受保護的層次結構: 密封類可以用於建立受保護的類層次結構，允許內部類進行擴展，但限制外部類進行繼承。
• 代數數據類型 (Algebraic Data Types, ADT): 密封類可以與記錄 (Records) 和模式匹配 (Pattern Matching) 結合使用，模擬代數數據類型，提供更強大的數據建模能力。

工具支援：

• 編譯器: Java 編譯器會驗證密封類和許可的子類之間的關係，確保程式碼的正確性。
• IDE: 現代 IDE 通常提供對密封類的語法高亮、自動完成和重構支援。例如，可以快速找到密封類的許可子類，或者安全地重命名密封類。

五、範例

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以下範例演示了密封類的用法：

// 定義一個密封類 sealed interface Shape permits Circle, Rectangle, Square {} // 實現密封類的子類 final class Circle implements Shape { private final double radius; public Circle(double radius) { this.radius = radius; } public double getRadius() { return radius; } } final class Rectangle implements Shape { private final double width; private final double height; public Rectangle(double width, double height) { this.width = width; this.height = height; } public double getWidth() { return width; } public double getHeight() { return height; } } final class Square implements Shape{ private final double side; public Square(double side){ this.side = side; } public double getSide(){ return this.side; } } public class SealedExample { public static double getArea(Shape shape) { return switch (shape) { case Circle c -> Math.PI * c.getRadius() * c.getRadius(); case Rectangle r -> r.getWidth() * r.getHeight(); case Square s -> s.getSide() * s.getSide(); }; } public static void main(String[] args) { Circle circle = new Circle(5); Rectangle rectangle = new Rectangle(4, 6); Square square = new Square(5); System.out.println("Circle area: " + getArea(circle)); System.out.println("Rectangle area: " + getArea(rectangle)); System.out.println("Square area: " + getArea(square)); } }

執行結果：

$ java SealedExample.java Circle area: 78.53981633974483 Rectangle area: 24.0 Square area: 25.0

在這個範例中， Shape 是一個密封介面，它只允許 Circle , Rectangle , Square 這三個類實現它。 getArea 方法使用 if 表達式對不同的 Shape 子類進行處理，編譯器可以確保所有可能的 Shape 子類都被考慮到。

除了這三個類別之外，其他類別想要實作 Shape ，編譯時會報錯：

六、與Java 7至14的遷移考量

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雖然密封類是在Java 15引入，正式版在17，但理解其對從較早Java版本遷移的影響仍然重要：

1. 相容性: 在Java 17之前的版本中，密封類相關的語法（ sealed , permits , non-sealed ）會導致編譯錯誤。 為了在舊版本中保持相容性，需要避免使用這些關鍵字。

2. 替代方案: 在 Java 7 至 14 中，可以使用抽象類和 final 類來模擬密封類的部分功能。例如，可以將一個類聲明為抽象類，並將所有允許的子類聲明為 final ，從而防止其他類繼承。

3. 逐步遷移: 如果需要將現有的程式碼遷移到 Java 17，可以逐步引入密封類。 首先，可以使用抽象類和 final 類來模擬密封類的功能，然後在升級到 Java 17 後，將其替換為真正的密封類。

4. **條件編譯：**可以使用條件編譯來根據 Java 版本選擇性地使用密封類：

   public class SealedExample2 { public static void main(String[] args) { // 檢查 Java 版本 String version = System.getProperty("java.version"); if (version.startsWith("17")) { // Java 17 或更高版本：使用密封類 sealedExample(); } else { // Java 17 之前的版本：使用替代方法 legacyExample(); } } private static void sealedExample() { System.out.println("Using Sealed Classes (Java 17+)"); // 密封類的代碼 } private static void legacyExample() { System.out.println("Using Legacy Approach (Java < 17)"); // 替代方案的代碼 } }

   執行結果：

   $ java SealedExample2.java Using Sealed Classes (Java 17+)

七、總結

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密封類是 Java 17 引入的一項強大的語言特性，它通過限制類的繼承來提高程式碼的封裝性、類型安全性和可維護性。 它可以與記錄和模式匹配結合使用，模擬代數數據類型，提供更強大的數據建模能力。 在設計 API 時，可以考慮使用密封類來建立受保護的類層次結構，從而保證 API 的穩定性和安全性。 從較早的 Java 版本遷移到 Java 17 時，需要考慮相容性問題，並可以使用抽象類和 final 類來模擬密封類的功能。 總之，密封類是一項值得學習和使用的特性，它可以幫助開發人員編寫更可靠、更安全、更易於維護的 Java 程式碼。