从 Java 到 Scala（四）：Traits

本文由 Rhyme 发表在ScalaCool 团队博客。

Traits 特质，一个我们既熟悉又陌生的特性。熟悉是因为你会发现它和你平时在Java中使用的 interface接口 有着很大的相似之处，而陌生又是因为 Traits 的新玩法会让你打破对原有接口的认知，进入一个更具有挑战性，玩法更高级的领域。所以，在一开始，我们可以对 Traits 有一个初步的认识：它是一个加强版的 interface 。之后，随着你对它了解的深入，你就会发现相比Java接口, Traits 跟类更为相似。再之后，你或许会觉察到， Traits 在尝试着将抽象更好地融为了一个整体。

Traits 入门

在Java中为了避免多重继承所带来的昂贵代价(方法或字段冲突、菱形继承等问题)，Java的设计者们使用了 interface接口 。而为了解决Java接口无法进行 stackable modifications (即无法使用对象状态进行迭代)、无法提供字段等局限，在Scala中，我们使用 Traits 特质而非接口。

定义一个trait

trait Animal {
  val typeOf: String = "哺乳动物" //  带有默认值的字段

  def move(): Unit = {  // 带有默认实现的方法
    println("walk")
  }

  def eat() //未实现的抽象方法
}
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以上代码类似于以下的Java代码

public interface Animal {
    String typeOf = "哺乳动物";

    default void move() {
        System.out.println("walk");
    }

    void eat();
}
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在Scala中使用关键字 trait 而不 interface ,和Java接口一样， trait 也可以有默认方法的实现。也就是说Java接口有的， trait 基本上也都有，而且实现起来要优雅许多。 之所以要说类似于以上的Java代码，原因在于 trait 拥有的是字段 typeOf ,而 interface 拥有的是静态属性 typeOf 。这是 interface 和 trait 的一点区别。但是再仔细观察思考这一点区别， 更好更灵活的字段设计，是否使得 trait 更好地组织了抽象，使得它们成为了一个更好的整体。

mix in trait

和Java一样，Scala只支持单继承，但却可以有任意数量的特质。在Scala中，我们不称接口被 implements 实现了，而是 traits 被mix in混入了类中。

class Bird extends Animal {
  override val typeOf: String = "蛋生动物"

  override def eat(): Unit = {
    println("eat bugs")
  }

  override def move(): Unit = {
    println("fly")
  }
}
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以上代码中， Bird 类混入了特质 Animal 。当类混入了多个特质时，需要使用 with 关键字

trait Egg

class Bird extends Animal with Egg{
  override val typeOf: String = "蛋生动物"

  override def eat(): Unit = {
    println("eat bugs")
  }

  override def move(): Unit = {
    println("fly")
  }
}
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在Scala中，我们将 extends with 的这种语法解读为一个整体，例如在以上代码中，我们将 extends Animal with Egg 看做一个整体，然后被 Bird 类混入。从这里你是否也能够感受到 trait 在尝试着将抽象更好地融为一个整体。

到这里，你或许能够发现，相比 Java interface , trait 和类更加相似。而事实也确实如此， trait 可以具备类的所有特性，除了缺少构造器参数。这一点 trait 可以使用构造器字段来达到同样的效果。也就是说你不能想给类传入构造器参数那样给特质传入参数。具体代码这里就不再演示。

其实在这里我们可以简单地思考一番，为什么要把 trait 设计得这么像一个 class ,是设计者们有意为之，还是无意间的巧合。其实，不管怎么样， 个人认为，但从设计层面来讲， class 类的设计就比 trait 更加具备一致性，class产生的对象就可以被很好的管理，为什么我们不像管理对象一样来管理我们的抽象呢？

Traits的两大基本应用

Traits 最常见的两种使用方式:一种是和Java接口类似，用于设计富接口，另一种是 Traits 独有的 stackable modifications 。这里就说到了 interface 和 trait 的第二个区别， Traits 支持 stackable modificatio ，使它能够使用对象状态，可以对对象状态进行灵活地迭代。

rich interface

富接口的应用要归功于 interface 中对默认方法这一特性的支持，一方面松绑了类和接口之间实现与被实现之间的强关系，另一方面为程序的可扩展性代入了很大的灵活性。 trait 在这一方面的应用和Java的没有很大的区别。而 trait 中的默认方法的实现背后采用的也是 interface 中的 default 默认方法。

trait Hello {
  def hello(): Unit = {println("hello")
  }
}
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interface Hello2 {
    default void hello() {...}
}
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stackable modifications

关于 stackable modifications ，顾名思义，我们将 modification 保存在了一个 stack 栈中。也就是说我们可以对运算的结果进行不断的迭代处理，已达到我们想要的结果。这对于想要分布处理并得到某一结果的需求来说是非常有用的。

这里我们借用一下 programming in scala 中的例子

abstract class IntQueue {
  def get(): Int

  def put(x: Int)
}

import scala.collection.mutable.ArrayBuffer

class BasicIntQueue extends IntQueue {
  private val buf = new ArrayBuffer[Int]

  def get() = buf.remove(0)

  def put(x: Int) {
    buf += x
  }
}

trait Doubling extends IntQueue {
  abstract override def put(x: Int) {
    super.put(2 * x)
  }
}

trait Incrementing extends IntQueue {
  abstract override def put(x: Int) {
    super.put(x + 1)
  }
}

trait Filtering extends IntQueue {
  abstract override def put(x: Int) {
    if (x >= 0) super.put(x)
  }
}

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在以上代码中我们定义了一个抽象的队列，有 put 和 get 方法，在类BasicIntQueue中提供了相应的实现方法。同时又定义了三个特质 Doubling 、 Incrementing 、 Filtering ,它们都继承了IntQueue抽象类(还记得之前讲过的， trait 可以具备类的所有特性),并重写了其中的方法。 Doubling 将处理结果*2， Incrementing 特质将处理结果做了+1处理, Filtering 将过滤掉<0的值。

我们在来看以下的运行结果

scala> val queue = (new BasicIntQueue with Incrementing with Filtering)
queue: BasicIntQueue with Incrementing with Filtering...
scala> queue.put(-1); queue.put(0); queue.put(1)
scala> queue.get()
res15: Int = 1
scala> queue.get()
res16: Int = 2
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scala> val queue = (new BasicIntQueue with Filtering with Incrementing)
queue: BasicIntQueue with Filtering with Incrementing...
scala> queue.put(-1); queue.put(0); queue.put(1)
scala> queue.get()
res17: Int = 0
scala> queue.get()
res18: Int = 1
scala> queue.get()
res19: Int = 2
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仔细观察以上的代码，了解了上面的代码，你基本也就了解了 stackable modifications 。

首先，你可以观察到，以上的两段代码整体相似，却得到不同的运行结果，原因只是因为特质 Filtering 和 Incrementing 混入的顺序不同。我们仔细查看一下特质中的方法实现，可以发现在特质中都通过 super 关键字调用了父类的方法。而以上情况的产生原因就在于此。 trait 中的 super 是支持 stackable modifications 的根本关键。

在 trait 中的 super 是动态绑定的，并且 super 调用的是另一个特质中的方法，具体哪个特质中的方法被调用需要取决于特质被混入的顺序。对于一般的序列，我们可以采用"从后往前"的顺序来推断 super 的调用顺序。

就拿以上的代码而言。

new BasicIntQueue with Incrementing with Filtering
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代码的super的执行顺序按照从后往前的规则依次是

Filtering -> Incrementing -> BasicIntQueue 
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举个具体的例子

例如这个时候我执行了 put(1) 的代码，那么按照上面的执行顺序，

先执行 Filtering 的 put 方法判断值是否大于1，发现合法，将值1传给 Incrementing 中的 put 方法， Incrementing 中的 put 方法将值加1之后传给 BasicIntQueue 然后将最终的值2放入队列中。

以上代码的执行过程就是 stackable modifications 的核心。因此到这里，你或许也能理解以上因为混入顺序不同而出现的不同结果了吧。

另外，说到动态性，我们在这里也可以简单地聊几句。在Java中， super 的静态性与 trait 中 super 的动态性形成了鲜明的对比。而动态性所带来的种种优势与强大，我们也已经在这一小节的内容中见识了一二。其实动态性抽离出来是一种设计思想，而它也早已在我们的身边大展拳脚。例如我们熟知的IOC依赖注入，AOP面向切面编程，以及前端的动态压缩技术等等，能够列举的还有很多，而它们的背后就是动态性的思想，你越是灵活，能够做的事也就越多。

Traits 探索

Traits构造顺序

trait Test {
    val name:String = "hello" //特质构造器的一部分
    println(name);  // 特质构造器的一部分
}
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正如你在以上代码中所见的，在特质大括号中包裹的执行语句均属于特质构造器的一部分。

特质构造器的顺序如下:（参考自《快学Scala》）

extends

举个例子

class SavingAccount extends Account with FileLogger with ShortLogger

trait ShortLogger extends Logger

trait FileLogger extends Logger
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以上构造器将按如下顺序执行

1. Account (超类)
2. Logger (第一个特质的父特质)
3. FileLogger (第一个特质)
4. ShortLogger (从左往右第二个特质，它的父特质 Logger 已经被构造，不再重复构造)
5. SavingAccount (类构造器)

线性化

其实以上构造器顺序实现的背后使用的是一种叫"线性化"的技术。

拿以上的代码作为例子

class SavingAccount extends Account with FileLogger with ShortLogger
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以上的代码将被线性化解析为

>> 的意思是右侧将先被构造

lin(SavingsAccount) = SavingsAccount >> lin(ShortLogger) >> lin(FileLogger) >> lin(Account)

= SavingsAccount >> (ShortLogger >> Logger) >> (FileLogger >> Logger) >> Account

= SavingsAccount >> ShortLogger >> FileLogger >> Logger >> Account
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仔细观察以下线性化的结果，你会发现，以上的顺序就是构造器执行的顺序。同时，线性化也给出了 super 的执行顺序，举例来说，在 ShortLogger 中调用 super 将调用右侧的 FileLogger 中的方法，而 FileLogger 中的 super 将调用右侧 Logger 中的方法，依次类推。

特质字段初始化

因此由于特质构造器的执行时间要早于类构造器的执行，因此在初始化特质中的字段时要额外注意字段的执行时间，避免出现空指针的情况。例如以下代码就会出现错误

trait Hello {
  val name:String
  val out = new PrintStream(name)
}

val test = new Test with Hello {
    val name = "Rhyme" // Error 类构造器晚于特质构造器
}
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解决方法有 提前定义 或者 懒值

采用提前定义的代码如下所示

val test = new { 
    val name = "Rhyme" //先于所有的构造器执行
}Test with Hello 
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采用提前定义的方式使得代码不太雅观，我们还可以使用懒值的方式

采用懒值的方式如下

trait Hello {
  val name:String
  lazy val out = new PrintStream(name) // 使用懒值，延迟name的初始化
}
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懒值在每次使用前都回去检查字段是否已经初始化，存在一定的使用开销。使用前需要仔细考虑

由于篇幅限制，关于 trait 的探索，我们就到此为止。希望本文能够对你学习和了解 trait 提供一点帮助。在下一章我们将介绍 trait 稍微高级一点的用法，自身类型和结构类型。