史上最全EffectiveJava总结（一）

Seven972025-03-25 9:53

创建和销毁对象

1、静态工厂方法代替构造器

优点

  • 静态工厂方法有名称，能确切地描述正被返回的对象。

  • 不必每次调用都创建一个新的对象。

  • 可以返回原返回类型的任何子类对象。

  • 创建参数化类型实例时更加简洁，比如调用构造 HashMap 时，使用 Map < String,List < String > m = HashMap.newInstance() ，与 Map < String,List < String > m > = new HashMap < String,List < String > >();

缺点

  • 没有公共或受保护构造方法的类不能被子类化

  • 不像构造方法一样容易被找到

2、遇到多个构造参数时要考虑用建造者模式

其它方式的缺点

  • 静态工厂和构造器不能很好地扩展到大量的可选参数。

  • JavaBean 模式下使用 setter 来设置各个参数，无法仅通过检验构造器参数的有效性来保证一致性，会试图使用不一致状态的对象。

Builder 的建造者模式：使用必须的参数调用构造器，得到一个 Builder 对象，再在 builder 对象上调用类似 setter 的方法设置各个可选参数，最后调用无参的 build 方法生成不可变对象，new Instance.Builder(必须参数).setter(可选参数).build()。

建造者模式详解

Builder 模式让类的创建和表示分离，使得相同的创建过程可以创建不同的表示。

java 复制代码 
public class Computer {
    private final String cpu;//必须
    private final String ram;//必须
    private final int usbCount;//可选
    private final String keyboard;//可选
    private final String display;//可选

    private Computer(Builder builder){
        this.cpu=builder.cpu;
        this.ram=builder.ram;
        this.usbCount=builder.usbCount;
        this.keyboard=builder.keyboard;
        this.display=builder.display;
    }
    public static class Builder{
        private String cpu;//必须
        private String ram;//必须
        private int usbCount;//可选
        private String keyboard;//可选
        private String display;//可选

        public Builder(String cup,String ram){
            this.cpu=cup;
            this.ram=ram;
        }

        public Builder setUsbCount(int usbCount) {
            this.usbCount = usbCount;
            return this;
        }
        public Builder setKeyboard(String keyboard) {
            this.keyboard = keyboard;
            return this;
        }
        public Builder setDisplay(String display) {
            this.display = display;
            return this;
        }        
        public Computer build(){
            return new Computer(this);
        }
    }
  //省略getter方法
}

// 使用：
Computer computer=new Computer.Builder("因特尔","三星")
                .setDisplay("三星24寸")
                .setKeyboard("罗技")
                .setUsbCount(2)
                .build();

但是，建造者模式也有缺点：

  • 为了创建对象，首先得它的创建Builder，在性能关键的情况下可能会出现问题

  • Builder模式比伸缩构造方法模式更冗长，因此只有在足够参数的情况下才值得使用，比如四个以上

3、使用私有构造方法或枚举实现Singleton属性

Singleton指最多会被实例化一次的类。通常情况下，以前的做法是没有问题的。但是在某些高级情况，通过使用反射的相关知识访问private的构造函数，破坏Singleton。

java 复制代码 
public class Elvis{
    // 注意，公有final对象
    public static final Elvis INSTANCE = new Elvis();
    private Elvis(){}
}

另一种情况，在序列化的过程中，反序列化得到的对象已经不再是以前的对象（破坏了Singleton），这种情况下，可以通过单元素枚举型处理。

java 复制代码 
public enum Elvis{
    INSTANCE;
    // some methods
}

单例模式 详解看这篇文章

4、使用私有构造方法执行非实例化

有一些工具类，仅仅是提供一些能力，自己本身不具备任何属性，所以，不适合提供构造函数。然而，缺失构造函数编译器会自动添加上一个无参的构造器。所以，需要提供一个私有化的构造函数。为了防止在类内部误用，再加上一个保护措施和注释。

java 复制代码 
public class Util{
    private Util(){
        // 抛出异常，防止内部误调用
        throw new AssertionError();
    }
}

弊端是无法对该类进行继承（子类会调用super()）。

5、依赖注入优于硬链接资源

硬连接资源：

上面使用的方式都是硬连接（硬编码）；什么是硬连接，我在此处的理解是在代码中直接引用某个固定的资源。但是如果一个类依赖多种资源呢？以下面的例子为例，引用的字典资源可能是中文字典，也可能是英文字典，每次资源发生变化时都需要在代码中去修改，这样的方式显然不够灵活。

许多类依赖于一个或多个底层资源。例如，拼写检查器依赖于字典。

通过静态方法来替代硬资源连接 :

java 复制代码 
// Inappropriate use of static utility - inflexible & untestable!
public class SpellChecker {
    //仅提供了一个资源
    private static final Lexicon dictionary = "依赖的资源";
    
     //私有构造方法，非实例化
    private SpellChecker() {} // Noninstantiable
    
     //拼音检查器提供给外部类调用的方法
    public static boolean isValid(String word) { ... }
    public static List<String> suggestions(String typo) { ... }
}

使用单例来替代硬连接资源，同样也是不灵活的：

java 复制代码 
// Inappropriate use of singleton - inflexible & untestable!
public class SpellChecker {
    private final Lexicon dictionary = ...;

    private SpellChecker(...) {}
    public static INSTANCE = new SpellChecker(...);

    public boolean isValid(String word) { ... }
    public List<String> suggestions(String typo) { ... }
}

也可以在类需要字典资源的时候再去指定，例如将属性设置为非 final，再提供一个方法去修改资源，但这样的设置显得非常笨拙、容易出错、并且无法并行工作。静态工具类和单例类不适合与需要引用底层资源的类。

依赖注入：

使用依赖注入替代硬连接资源，依赖注入提供了灵活性和可测试性。虽然下方的实例仍是一个基础资源，但是它由外部类提供，这样保证了我们的SepllChecker提供的功能不变，但是数据却是灵活多变的。

java 复制代码 
public class SpellChecker03 {

    private final Lexicon dictionary;

    //需要检查什么资源，由外部类提供基础的数据
    public SpellChecker03(Lexicon dictionary) {
        this.dictionary = Objects.requireNonNull(dictionary);
    }

    public boolean isValid(String word) { ... }
}

依赖注入模式非常简单，许多程序员使用它多年而不知道它有一个名字。 虽然拼写检查器的例子只有一个资源（字典），但是依赖项注入可以使用任意数量的资源和任意依赖图。 它保持了不变性（详见第 17 条），因此多个客户端可以共享依赖对象（假设客户需要相同的底层资源）。 依赖注入同样适用于构造器、静态工厂

但是使用依赖注入来实现硬资源连接，也有一定的弊端，一般大型的项目，可能有数千个依赖项，这让项目变得混乱，不过可以使用Spring框架来消除这些混乱。依赖注入，它极大地提升了类的灵活性、可重用性和可测试性。

6、避免创建不必要的对象

  • 对于 String 类型，String s = new String("") 每次执行时都会创建一个新的实例，而使用 String s = "" 则不会，因为对于虚拟机而言，包含相同的字符串字面常量会重用，而不是每次执行时都创建一个新的实例。

  • 重用相同功能的对象：

    • 重用那些已知不会被修改的可变对象，如Date 、Calendar

    • 可变对象的重用：比如，Map的keySet()方法就会返回Map对象所有key的Set视图。这个视图是可变的，但是当Map对象不变时，在任何地方返回的任何一个keySet都是一样的，当Map对象改变时，所有的keySet也会相应的发生改变。

  • 小心自动装箱（auto boxing）：优先使用基本类型，避免无意识的自动装箱。

  • 对于廉价的对象，慎用对象池。现代JVM对廉价对象的创建和销毁非常快，此时不适于使用对象池。

  • 用静态工厂方法而不是构造器

7、消除过期的对象引用

以下三种情况可能会造成内存泄露：

  • 自己管理的内存（数组长度减小后，pop出的对象容易导致内存泄漏）

  • 缓存

  • 监听和回调

自己管理的内存：

java 复制代码 
public class Stack {
     // ...... 
     
    public Object pop() {
        if (size == 0) {
            throw new EmptyStackException();
        }

        return elements[--size];
    }
    

    // ...... 
}

这个程序在发生内存泄露：

java 复制代码 
return elements[--size];

如果一个栈是先增长再收缩，那么从栈中弹出来的对象将不会被GC回收，即使使用栈的程序不会在引用这些对象，这是因为，栈会维持着elements[size]的过期引用，即永远也不会被解除的引用。

应该要这样修改：

java 复制代码 
public Object pop(){
    if(size == 0){
        throw new EmptyStackException();
    }
    Object result = elements[--size];
    //消除引用
    elements[size] = null;
    return result;
}

缓存：

缓存的对象容易被程序员遗忘，需要设置机制来维护缓存，例如不定期回收不再使用的缓存（使用定时器）。某些情况下，使用WeakHashMap可以达到缓存回收的功效。注，只有缓存依赖于外部环境，而不是依赖于值时，WeakHashMap才有效。

监听或回调：

使用监听和回调要记住取消注册。确保回收的最好的实现是使用弱引用（weak reference），例如，只将他们保存成WeakHashMap的键。

8、避免使用 Finalizer和Cleaner 机制

Java的GC有强大的回收机制，可以简单的记住：不要显示调用finalizer。可以这样理解：

JVM是针对具体的硬件设计的，然而程序却不是针对具体硬件设计的，所以，Java代码无法很好的解决GC问题（因为他具有平台差异化）。另外，finalizer的性能开销也非常大，从这个角度上考虑也不应该使用它。

Java 9中，Finalizer 机制已被弃用，但仍被 Java 类库所使用。 Java9中 Cleaner 机制代替了 Finalizer 机制。

Cleaner 机制不如 Finalizer 机制那样危险，但仍然是不可预测，运行缓慢，通常是不必要的。

对于所有对象都通用的方法

10、覆盖 equals要遵守通用约定

当重写equals方法时，必须遵守以下约定

  • 自反性：对于任何非空引用x。x.equals(x) 必须返回 true

  • 对称性：对于任何非空引用x，y。当且仅当y.equals(x) 为 true时，x.equals(y) 也必须为 true

  • 传递性。对于任何非空引用x，y，z。如果 (x.equals(y)&&y.equals(z)) 为 true，那么y.equals(z) 也为 true

  • 一致性：对于任何非空引用x，y。如果在equals中比较的信息没有修改，那么 x.equals(y) 的调用必须始终为true或始终为 false

  • 非空性：对于任何非空引用x。x.equals(null) 必须返回 false

编写高质量equals方法：

  • 使用 == 操作符检查"参数是否为这个对象的引用"。

  • 使用 instanceof 操作符检查"参数是否为正确的类型"。

  • 把参数转换成正确的类型。因为转换操作在 instanceof 中已经处理过，所以肯定会成功。

  • 对于该类中的每个关键域，检查参数中的域是否与该对象中对应的域相匹配。

    • 域可能为基本数据类型，非float和double类型，使用==来进行比较

    • 可能为引用类型，递归调用equals方法

    • 对于float类型，使用Float.compare(float,float)处理，对于double类型，使用Double.compare(double,double)处理，但会导致自动装箱，消耗性能。并且由于存在Float.NaN，因此需要额外处理

  • 由于可能存在null，因此使用Object.equals(Object,Object)来检查是否相等

其他提醒：

  • 当重写 equals 方法时，同时也要重写 hashCode 方法

  • 不要让 equals 方法试图太聪明。如果只是简单地测试用于相等的属性，那么要遵守 equals 约定并不困难。

  • 在 equal 时方法声明中，不要将参数 Object 替换成其他类型，否则只是重载了方法。应使用@Override注解来避免犯这个错误

11、覆盖 equals 方法时，总要覆盖 hashCode 方法

当覆盖equals方法时，必须要覆盖hashCode方法。因为相等的对象必须要有相同的哈希码。如果没有一起去覆盖 hashcode，则会导致俩个相等的对象未必有相等的散列码，造成该类无法结合所有基于散列的集合一起工作。

详情请关注 equals和hashcode

12、始终重写 toString 方法

Object 所提供的 toString，是该对象的描述，输出的是 【类名@散列码】的格式。因此，为了更容易阅读，应该重写 toString 方法

注意：

  • 重写toString方法时，如果有格式，则应该严格按照格式返回。

  • 自己覆盖的 toString，返回对象中包含的所有值得关注的信息。

  • 在静态工具类 和 枚举类 中重写 toString 方法是没有意义的

  • 如果是抽象类，应该重写 toString 方法来指定格式。如集合实现的toString 方法都是从抽象集合类中继承的/

java 复制代码 
// java.util.AbstractCollection#toString
public String toString() {
    Iterator<E> it = iterator();
    if (! it.hasNext())
        return "[]";

    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    sb.append('[');
    for (;;) {
        E e = it.next();
        sb.append(e == this ? "(this Collection)" : e);
        if (! it.hasNext())
            return sb.append(']').toString();
        sb.append(',').append(' ');
    }
}

不足：

  • 当类被广泛使用，一旦指定格式，那就会编写出相应的代码来解析这种字符串表示法，以及把字符串表示法嵌入持久化数据中，之后如果想改变这种格式，则会遭到破坏。

13、谨慎重写 clone 方法

调用clone()方法需要对象实现Cloneable接口，但是这个接口有着许多缺陷。最主要的缺陷在于，Cloneable接口中不包含任何方法，而Object中的clone方法是protect的，也就是说如果一个类只是继承了Cloneable接口，但是却没有重写clone()方法，那么对于这个类的对象，clone()方法依然是不可用的。

既然Cloneable接口中没有任何方法，那么它有什么作用呢，可以看看Object中的clone()方法：

java 复制代码 
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
    if (!(this instanceof Cloneable)) {
        throw new CloneNotSupportedException("Class " + getClass().getName() +" doesn't implement Cloneable");
    }
    return internalClone();
}

从上面的代码中可以看出Cloneable接口实际上决定了clone()方法的行为，按书中所说："这是接口的一种极端非典型的用法，并不值得仿效。"

也就是说如果clone()方法想要实现预想中的效果，就需要遵守一个"相当复杂的，不可实施的，并且基本上没有文档说明的协议"。

但是即使是java.lang.Object规范中的约定内容中也存在着许多问题，例如："不调用构造器"，这一条规定太过强硬，因为行为良好的clone()方法可以调用构造器来创建对象，构造之后在复制内部数据。

在最理想的状况下，如果需要使用clone方法，只需要实现Cloneable接口，并且重写clone()方法即可：

java 复制代码 
@Override
public Object clone(){
    try{
        return super.clone();
    }catch(CloneNotSupportedException e){
        throw new AssertionError();
    }
}

但是这种方法只适用于需要浅拷贝的情况。但如果这么做，而且拷贝的类中存在可变的对象，就会导致灾难性的结果。

例如希望通过上面的方式clone一个如下的Stack：

java 复制代码 
public class Stack{
    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    //other......
}

这样clone出来的Stack对象与原Stack对象却使用的是同一个elements引用，但是size属性却是相互独立的。这样很快就会发现这两个Stack对象已经无法正常工作。

对于这种情况，可以通过深拷贝来避免这种情况的发生，例如上面的Stack类，虽简单的做法就是在elements数组中递归地调用clone：

java 复制代码 
@Override
public Stack clone(){
    try{
        Stack result = (Stack) super.clone();
        result.elements = elements.clone();
        return result;
    }catch(CloneNotSupportedException e){
        throw new AssertionError();
    }
}

克隆复杂对象还有一个方法：

先调用super.clone()，然后把返回对象中的所有域都设为空白状态，再将原对象中各个域的值赋给克隆对象中的相应部分，但是它运行起来通常没有"直接操作对象及其克隆对象的内部状态的clone方法"快。

正是因为 Cloneable 接口有着这么多的问题，可以肯定的说，其他接口都不应该扩展此接口；那些为了继承而设计的类也不应该实现此接口。

因此应使用其它方式来克隆对象：

  • 使用序列化和反序列化实现深拷贝，但要注意，被克隆的对象及其所有属性都必须是可序列化的。此外，序列化和反序列化过程中可能会抛出 IOException 和 ClassNotFoundException 异常，需要进行处理。

  • 使用第三方工具，例如 Apache Commons BeanUtils 库的 BeanUtils.cloneBean() 方法和 Spring Framework 的 ObjectUtils.clone() 方法。

14、考虑实现 Comparable 接口

如果类实现了comparable 接口，便可以跟许多泛型算法以及依赖该接口的集合实现协作，比如可以使用 Array.sort 等集合的排序。

如果是具有明显自然顺序(如字母顺序，数字顺序或时间顺序)的值类，则应该实现Comparable 接囗

排序的另一种实现方式是实现Comparator接口，性能大概比Comparable慢10%，例如：

java 复制代码 
// Comparable with comparator construction methods
private static final Comparator<PhoneNumber> COMPARATOR = comparingInt((PhoneNumber pn) -> pn.areaCode)
    .thenComparingInt(pn -> pn.prefix)
    .thenComparingInt(pn -> pn.lineNum);

public int compareTo(PhoneNumber pn) {
    return COMPARATOR.compare(this, pn);
}

有时人们会用计算差值的方法来实现compare方法，例如：

java 复制代码 
// BROKEN difference-based comparator - violates transitivity!
class DateWrap{
    Date date;
}

static Comparator<DateWrap> order = new Comparator<>() {
    public int compare(DateWrap d1, DateWrap d2) {
        return d1.date.getTime() - d2.date.getTme();
    }
};

但是这种做法是有缺陷的。在上例中，Date.getTime返回long型时间戳，两者的差值有可能溢出int。所以应该用Date类自带的比较方法：

java 复制代码 
// Comparator based on static compare method s
static Comparator<DateWrap> order = new Comparator<>() {
    public int compare(DateWrap d1, DateWrap d2) {
        return d1.date.compareTo(d2.date);
    }
};

类和接口

15、使类和成员的可访问性最小化

封装和信息隐藏是软件设计的基本原则。 Java的访问控制机制指定了类、接口和成员的可访问性。它们的可访问性由其声明的位置以及声明中出现的访问修饰符（private、protected 和 public）决定。

控制可访问级别的最佳实践是：在不影响软件功能的前提下，让每个类或成员尽可能不可访问。

对于顶级（非嵌套）类和接口，只有两个可能的访问级别：包级和公共。使用哪个级别，取决于是否需要将API对外导出。

如果包级顶级类或接口只被一个类使用，那么可以考虑在使用它的这个类中，将顶级类设置为私有静态嵌套类。

对于成员（字段、方法、嵌套类和嵌套接口），存在四种访问级别，按可访问性从低到高分别是：

  1. 私有（private）：成员只能从声明它的顶级类访问。
  2. 包级（package-private）：成员可以从声明它的类所在的包访问。不加修饰符时默认的访问级别。
  3. 保护（protected）：成员可以从声明它的类的子类和声明它的类所在的包访问。
  4. 公共（public）：成员可以从任意地方访问。

如果一个方法覆盖了超类方法，那么它在子类中的访问级别就不能比超类更严格。

公共类的实例字段很少用public修饰，除非是静态final常量。带有公共可变字段的类通常不是线程安全的。

Java 9的模块系统引入了两个额外的隐式访问级别。模块是包的分组，它可以显式导出一些包，未导出包的公共类的公共和保护成员在模块外不可访问，它们产生了两个隐式访问级别，即模块内公共和模块内保护。

16、在公共类中，使用访问器方法，而不是公共字段

对于公共类中的可变字段，不应该将它们设为公共，因为这样破坏了类的封装性。应该通过setter、getter方法访问。对于公共类中的不可变字段，设为公共的危害要小一些。

对于包级类或私有嵌套类，公开它们的字段是允许的。因为这两种类的访问受到限制，所以对它们字段的更改也能限制在一定范围内。

17、最小化可变性

应该尽量降低类的可变性。

不可变类是实例不能被修改的类。Java中有很多不可变类，如String、Integer等。不可变类的优点是：简单、线程安全，可作为缓存共享。

不可变类需满足以下5条规则：

  1. 不要提供修改状态的方法。
  2. 确保类不能被继承。可以通过为类加上final修饰符，或者通过静态工厂方法对外提供创建对象的唯一方法。
  3. 所有字段用final修饰。
  4. 所有字段设为私有。
  5. 确保对可变对象引用的独占访问。不要给用户提供访问这些引用的方法。

不可变类的缺点是每个不同的值都需要一个单独的对象。这样会产生很多对象创建和回收的开销。解决办法是提供一个公共可变伴随类。例如String的公共可变伴随类就是StringBuilder，用后者处理多个字符串的拼接时可以减少对象创建数量。

对于那么无法做到不可变的类，应尽量限制它的可变性。这样可以减少出错的可能性。每个字段如果可以，尽量设为私有final的。

18、组合优于继承

继承并不适合于所有场合。在同一个包中使用继承是安全的，对专为扩展而设计的类使用继承也是安全的。但对普通的具体类做跨包的继承是危险的。

继承打破了封装性，除非超类是专门为了扩展而设计的。超类若在后续的发行版本中获得新的方法，并且其子类覆盖超类中与新方法有关的方法，则可能会发生错误。

组合：在新的类中增加一个私有域，引用现有类。它不依赖现有类的实现细节，对现有类进行转发。

两个类只有满足is-a关系时才应该建立继承关系。Java库中有很多违反这一原则的地方，如Stack不是Vector却继承了后者，Properties不是HashTable也继承了后者。这些情况本应该使用组合。

19、继承要设计良好并且具有文档，否则禁止使用

为了避免继承影响子类实现的正确性，需要为可覆盖方法提供详细的文档，说明它的实现细节，以及覆盖它产生的影响。

这看上去违反了一条准则：好的API文档应该描述一个方法做什么，而不是如何做。确实，这是继承违反封装导致的后果。

20、接口优于抽象类

接口相对抽象类的优点是：

  1. 一个类只能继承单个抽象类，却能实现多个接口。
  2. 接口的使用更加灵活，可以很容易对现有类进行改造，实现新的接口。
  3. 接口允许构造非层次化类型结构。

为了代码复用，可以为接口提供默认方法。但是默认方法有不少限制，例如编译器会阻止你提供一个与Object类中的方法重复的默认方法，而且接口不允许包含实例字段或非公共静态成员（私有静态方法除外）。

这时可以实现一个抽象骨架类来结合抽象类和接口的优点。例如Java类库中的AbstractList就是典型的抽象骨架类。抽象骨架类使用了设计模式中的模板模式。

21、为后代设计接口

在Java 8之前，向接口添加方法会导致现有的实现出现编译错误，影响版本兼容性。为了解决这个问题，在Java 8中添加了默认方法的功能，允许向现有接口添加方法，但是这个添加过程存在很大风险。

由于默认方法被注入到已有实现的过程对实现者是透明的，实现者无需对此做任何反应。但是有时很难为所有的实现提供一个通用的默认方法，提供的默认方法很可能在某些场合是错误的。

下面的例子是Java 8 中被添加到集合接口中的 removeIf 方法：

java 复制代码 
// Default method added to the Collection interface in Java 8
default boolean removeif(predicate<? super e> filter) {
    objects.requirenonnull(filter);
    boolean result = false;
    for (iterator<e> it = iterator(); it.hasnext(); ) {
        if (filter.test(it.next())) {
            it.remove();
            result = true;
        }
    }
    return result;
}

很遗憾，它在实际使用的一些 Collection 实现中导致了问题。例如，考虑 org.apache.commons.collections4.collection.SynchronizedCollection。这个类提供了Java Collection的同步实现版本，但由于继承了removeIf的默认实现，新增了一个非同步方法，与这个类的设计初衷不符。

总结下来，设计接口前应该三思，应仔细考虑接口应包含的方法集合。虽然默认方法可以做到接口发布后新增方法，但是你不能依赖这种有很大风险的方式。

笔者注：这个观点需要辩证理解。本书作者作为Java类库的设计者之一，他的很多观点都来自他在设计这些类库时的经验总结。对于像基础Java类库或是使用广泛的开源项目，同时需要保证严格的版本兼容性的，接口发布后新增默认方法确实会带来很大的风险。但是对于广大业务开发者来说，如果接口只是局限在自己的业务代码中，所有引用都能用IDE反向查找到，那么风险是可控的。

22、接口只用于定义类型

接口只应该用来定义类型，不要用来导出常量。

常量接口时对接口的不良使用。实现常量接口，会导致把这样的实现细节泄漏给该类的导出 API 中，当类不再需要这些常量时，还必须实现这个接口以确保兼容性。如果非final类实现了该常量接口，它的所有子类的命名空间都将被接口中的常量污染。

想要导出常量，可以把它们放在相关的类中，如Integer类中的MAX_VALUE；或者定义一个XXXConstants类来存放一组相关的常量。

23、类层次结构优于带标签的类

对于有两种或两种以上的样式的类，我们有时会定义一个标签字段来表示不同的样式。例如，下面的类能够表示一个圆或一个矩形：

java 复制代码 
// Tagged class - vastly inferior to a class hierarchy!
class Figure {
    enum Shape {RECTANGLE, CIRCLE};

    // Tag field - the shape of this figure
    final Shape shape;

    // These fields are used only if shape is RECTANGLE
    double length;

    double width;

    // This field is used only if shape is CIRCLE
    double radius;

    // Constructor for circle
    Figure(double radius) {
        shape = Shape.CIRCLE;
        this.radius = radius;
    }

    // Constructor for rectangle
    Figure(double length, double width) {
        shape = Shape.RECTANGLE;
        this.length = length;
        this.width = width;
    }

    double area() {
        switch (shape) {
            case RECTANGLE:
                return length * width;
            case CIRCLE:
                return Math.PI * (radius * radius);
            default:
                throw new AssertionError(shape);
        }
    }
}

标签类的缺点是：不同的实现逻辑混杂在一起，可读性较低，容易出错。

标签类本质上是对类层次结构的模仿。所以还不如直接用类层次结构来编写，得到更加简单明了的代码：

java 复制代码 
// Class hierarchy replacement for a tagged class
abstract class Figure {
    abstract double area();
}

class Circle extends Figure {
    final double radius;

    Circle(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    @Override
    double area() {
        return Math.PI * (radius * radius);
    }
}

class Rectangle extends Figure {
    final double length;
    final double width;

    Rectangle(double length, double width) {
        this.length = length;
        this.width = width;
    }

    @Override
    double area() {
        return length * width;
    }
}

类层次结构的另一个优点是，可以反映类型之间的自然层次关系，而这是标签类做不到的。下面例子表示正方形是一种特殊的矩形：

java 复制代码 
class Square extends Rectangle {
  Square(double side) {
    super(side, side);
  }
}

24、静态成员类优于非静态成员类

嵌套类共有四种：静态成员类、非静态成员类、匿名类和局部类。它们各自有不同的适用场合。判断方法见如下流程图：

每种嵌套类的常见例子总结如下：

  1. 静态成员类：作为公共的辅助类，如Map中的Entry类。
  2. 非静态成员类：Map的entrySet、keySet方法返回的视图，List、Set中的迭代器。
  3. 匿名类：新建Comparable、Runnable接口实现类，可用lambda表达式替代。
  4. 局部类：与匿名类的区别仅为有名字，可重复使用。

如果成员类不需要访问外部实例，那么始终应该设置其为静态的。因为非静态的成员类会持有对外部类的引用，增加时间空间代价，而且会影响对外部类的垃圾回收。

25、源文件仅限有单个顶层类

虽然Java编译器允许在单个源文件中定义多个顶层类，但是这样做没有任何好处，反而存在重大风险。请看下面的例子，这个源文件引用了另外两个顶层类（Utensil 和 Dessert）：

java 复制代码 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Utensil.NAME + Dessert.NAME);
    }
}

然后你在一个名为 Utensil.java 的源文件中提供了 Utensil 类和 Dessert 类的实现：

java 复制代码 
// Two classes defined in one file. Don't ever do this!
class Utensil {
    static final String NAME = "pan";
}

class Dessert {
    static final String NAME = "cake";
}

不料在你不知情的情况下，另一个人在名为 Dessert.java的源文件中定义了相同的两个类：

java 复制代码 
// Two classes defined in one file. Don't ever do this!
class Utensil {
    static final String NAME = "pot";
}

class Dessert {
    static final String NAME = "pie";
}

如果你使用 javac Main.java Dessert.java 命令编译程序，编译将失败，编译器将告诉你多重定义了 Utensil 和 Dessert。这是因为编译器将首先编译 Main.java，当它看到对 Utensil 的引用（在对 Dessert 的引用之前）时，它将在 Utensil.java 中查找这个类，并找到餐具和甜点。当编译器在命令行上遇到 Dessert.java 时，（编译器）也会载入该文件，导致（编译器）同时遇到 Utensil 和 Dessert 的定义。

如果你使用命令 javac Main.java 或 javac Main.java Utensil.java 编译程序，它将按我们的预期打印出pancake。但是如果你使用命令 javac Dessert.java Main.java 编译程序，它将按别人的实现打印出 potpie。因此，程序的行为受到源文件传递给编译器的顺序的影响，这显然是不可接受的。

要避免这种问题，只需将顶层类（Utensil和Dessert）分割到单独的源文件中，或者放弃将它们作为顶层类，转而使用静态成员类。如下所示：

java 复制代码 
// Static member classes instead of multiple top-level classes
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Utensil.NAME + Dessert.NAME);
    }

    private static class Utensil {
        static final String NAME = "pan";
    }

    private static class Dessert {
        static final String NAME = "cake";
    }
}

泛型

26、 不要使用原始类型

每个泛型都定义了一个原始类型，它是没有任何相关类型参数的泛型的名称。例如，List<E> 对应的原始类型是 List。原始类型的行为就好像所有泛型信息都从类型声明中删除了一样。它们的存在主要是为了与之前的泛型代码兼容。

使用原始类型是类型不安全的，编译器会发出警告，而且容易出现类型相关的运行时异常。 如下面的程序：

java 复制代码 
// Fails at runtime - unsafeAdd method uses a raw type (List)!

public static void main(String[] args) {
    List<String> strings = new ArrayList<>();
    unsafeAdd(strings, Integer.valueOf(42));
    String s = strings.get(0); // Has compiler-generated cast
}

private static void unsafeAdd(List list, Object o) {
    list.add(o);
}

因为使用了原始类型List，编译器会给出一个警告：

java 复制代码 
Test.java:10: warning: [unchecked] unchecked call to add(E) as a
member of the raw type List
list.add(o);
^

然后运行程序时，会在将strings.get(0)` 的结果强制转换为字符串的地方抛出一个 ClassCastException。

如果你想使用泛型，但不知道或不关心实际的类型参数是什么，那么可以使用问号代替。例如，泛型集合 Set<E> 的无界通配符类型是 Set<?>。它是最通用的参数化集合类型，能够容纳任何集合：

java 复制代码 
// Uses unbounded wildcard type - typesafe and flexible
static int numElementsInCommon(Set<?> s1, Set<?> s2) { ... }

无界通配符类型和原始类型之间的区别是：前者中不能放入任何元素（除了 null）。如果你这样做，会得到一个编译报错：

java 复制代码 
WildCard.java:13: error: incompatible types: String cannot be converted to CAP#1
c.add("verboten");
^ where CAP#1
is a fresh type-variable:
CAP#1 extends Object from capture of ?

为便于参考，本条目中介绍的术语（以及后面将要介绍的一些术语）总结如下：

术语 例子 条目
参数化类型 List<String> 第26条
实际的类型参数 String 第26条
泛型类型 List<E> 第26条、第29条
形式化类型参数 E 第26条
无界泛型表达式 List<?> 第26条
原始类型 List 第26条
有界类型参数 <E extends Number> 第29条
递归类型限制 <T extends Comparable<T>> 第30条
有界泛型表达式 List<? extends Number> 第31条
泛型方法 static <E> List<E> asList(E[] a) 第30条
类型记号 String.class 第33条

27、消除 unchecked 警告

使用泛型编程时，很容易看到unchecked编译器警告。应该尽可能消除这些警告。消除所有这些警告后，就能确保代码是类型安全的。

有时unchecked警告很容易消除，例如下面不规范的代码会导致编译器警告：

java 复制代码 
Set<Lark> exaltation = new HashSet();

可以修改一下，取消警告：

java 复制代码 
Set<Lark> exaltation = new HashSet<>();

但有时警告无法消除，如果可以证明代码是类型安全的，可以通过SuppressWarnings("unchecked") 注解来抑制警告。

SuppressWarnings应该在尽可能小的范围内使用。如下例在一个变量上使用这个注解：

java 复制代码 
// Adding local variable to reduce scope of @SuppressWarnings
public <T> T[] toArray(T[] a) {
    if (a.length < size) {
        // This cast is correct because the array we're creating
        // is of the same type as the one passed in, which is T[].
        @SuppressWarnings("unchecked") T[] result = (T[]) Arrays.copyOf(elements, size, a.getClass());
        return result;
    }
    System.arraycopy(elements, 0, a, 0, size);
    if (a.length > size)
        a[size] = null;
    return a;
}

每次使用注解时，要添加一条注释，说明这样做是安全的，以帮助他人理解代码。

28、列表优于数组

使用泛型时，优先考虑用list，而非数组。

数组和泛型有两个重要区别，这让它们在一起工作不那么协调。

区别一：数组是协变的，而泛型不是 。如果 Sub 是 Super 的子类型，那么类型 Sub[] 就是类型 Super[] 的子类型，而List<Sub>并非List<Super>的子类型。

例如，下面这段代码是合法的：

java 复制代码 
// Fails at runtime!
Object[] objectArray = new Long[1];
objectArray[0] = "I don't fit in"; // Throws ArrayStoreException

但这一段代码就不是：

java 复制代码 
// Won't compile!
List<Object> ol = new ArrayList<Long>(); // Incompatible types
ol.add("I don't fit in");

两种方法都不能将 String 放入 Long 容器，但使用数组，会得到一个运行时错误；使用 list，你可以在编译时发现问题。后者当然是更加安全的。

区别二：数组是具体化的，而泛型通过擦除来实现。这意味着，数组在运行时知道并强制执行他们的元素类型，而泛型只在编译时执行类型约束，在运行时丢弃类型信息，这样做是为了与不使用泛型的老代码兼容。

由于这些差异，数组和泛型不能很好地混合。例如，创建泛型、参数化类型或类型参数的数组是非法的。因此，这些数组创建表达式都是非法的：new List<E>[]、new List<String>[]、new E[]。所有这些行为都会在编译时报错，原因是它们并非类型安全。如果合法，那么类型错误可能延迟到运行时才出现，这违反了泛型系统的基本保证。

例如下面代码：

java 复制代码 
// Why generic array creation is illegal - won't compile!
List<String>[] stringLists = new List<String>[1]; // (1)
List<Integer> intList = List.of(42); // (2)
Object[] objects = stringLists; // (3)
objects[0] = intList; // (4)
String s = stringLists[0].get(0); // (5)

如果第一行是合法的，那么会运行时到第5行才抛出运行时异常。

29、优先考虑泛型

应该尽量在自己编写的类型中使用泛型，这会保证类型安全，并使代码更易使用。

下面通过例子来看下如何对一个现有类做泛型化改造。

首先是一个简单的堆栈实现：

java 复制代码 
// Object-based collection - a prime candidate for generics
public class Stack {
    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    public Stack() {
        elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    }

    public void push(Object e) {
        ensureCapacity();
        elements[size++] = e;
    }

    public Object pop() {
        if (size == 0)
            throw new EmptyStackException();
        Object result = elements[--size];
        elements[size] = null; // Eliminate obsolete reference
        return result;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    private void ensureCapacity() {
        if (elements.length == size)
            elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
    }
}

我们用适当的类型参数替换所有的 Object 类型，然后尝试编译修改后的程序：

java 复制代码 
// Initial attempt to generify Stack - won't compile!
public class Stack<E> {
    private E[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    public Stack() {
        elements = new E[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    }

    public void push(E e) {
        ensureCapacity();
        elements[size++] = e;
    }

    public E pop() {
        if (size == 0)
            throw new EmptyStackException();
        E result = elements[--size];
        elements[size] = null; // Eliminate obsolete reference
        return result;
    } ... // no changes in isEmpty or ensureCapacity
}

这时生成一个错误：

java 复制代码 
Stack.java:8: generic array creation
elements = new E[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
^

上一条目中讲到不能创建一个非具体化类型的数组。因此我们修改为：

java 复制代码 
// The elements array will contain only E instances from push(E).
// This is sufficient to ensure type safety, but the runtime
// type of the array won't be E[]; it will always be Object[]!
@SuppressWarnings("unchecked")
public Stack() {
    elements = (E[]) new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
}

另一种解决编译错误的方法是将字段元素的类型从 E[] 更改为 Object[]。这时会得到一个不同的错误：

java 复制代码 
Stack.java:19: incompatible types
found: Object, required: E
E result = elements[--size];
^

You can change this error into a warning by casting the element retrieved from the array to E, but you will get a warning:

通过将从数组中检索到的元素转换为 E，可以将此错误转换为警告。我们对警告做抑制：

java 复制代码 
// Appropriate suppression of unchecked warning
public E pop() {
    if (size == 0)
        throw new EmptyStackException();
    // push requires elements to be of type E, so cast is correct
    @SuppressWarnings("unchecked")
    E result =(E) elements[--size];
    elements[size] = null; // Eliminate obsolete reference
    return result;
}

30、优先使用泛型方法

应尽量使方法支持泛型，这样可以保证类型安全，并让代码更容易使用。例如下面代码：

java 复制代码 
// Generic method
public static <E> Set<E> union(Set<E> s1, Set<E> s2) {
    Set<E> result = new HashSet<>(s1);
    result.addAll(s2);
    return result;
}

有时，你需要创建一个对象，该对象是不可变的，但适用于许多不同类型，这时可以用泛型单例工厂模式来实现，如 Collections.emptySet。

下面的例子实现了一个恒等函数分发器：

java 复制代码 
// Generic singleton factory pattern
private static UnaryOperator<Object> IDENTITY_FN = (t) -> t;

@SuppressWarnings("unchecked")
public static <T> UnaryOperator<T> identityFunction() {
    return (UnaryOperator<T>) IDENTITY_FN;
}

然后是对这个恒等函数分发器的使用：

java 复制代码 
// Sample program to exercise generic singleton
public static void main(String[] args) {
    String[] strings = { "jute", "hemp", "nylon" };
    UnaryOperator<String> sameString = identityFunction();

    for (String s : strings)
        System.out.println(sameString.apply(s));

    Number[] numbers = { 1, 2.0, 3L };
    UnaryOperator<Number> sameNumber = identityFunction();

    for (Number n : numbers)
        System.out.println(sameNumber.apply(n));
}

递归类型限定允许类型参数被包含该类型参数本身的表达式限制，常见的场合是用在Comparable接口上。例如：

java 复制代码 
// Using a recursive type bound to express mutual comparability
public static <E extends Comparable<E>> E max(Collection<E> c);

31、使用限定通配符来增加 API 的灵活性

在泛型中使用有界通配符，可以让API更加灵活。

考虑第29条中的堆栈类。我们创建一个Stack<Number>类型的堆栈，并在其中插入integer。

java 复制代码 
Stack<Number> numberStack = new Stack<>();
Iterable<Integer> integers = ... ;
numberStack.pushAll(integers);

这个例子在直觉上似乎是没问题的。然而实际执行的时候会报错：

java 复制代码 
StackTest.java:7: error: incompatible types: Iterable<Integer>
cannot be converted to Iterable<Number>
        numberStack.pushAll(integers);
                    ^

解决办法是使用带extends的有界通配符类型。下面代码表示泛型参数为E的子类型（包括E类型本身）：

java 复制代码 
// Wildcard type for a parameter that serves as an E producer
public void pushAll(Iterable<? extends E> src) {
    for (E e : src)
        push(e);
}

作为堆栈，还需要对外提供弹出元素的方法，以下是基础实现：

java 复制代码 
// popAll method without wildcard type - deficient!
public void popAll(Collection<E> dst) {
    while (!isEmpty())
        dst.add(pop());
}

但是这个实现在遇到下面场景时也会出现运行时报错，错误信息与前面的非常类似：Collection<Object>不是 Collection<Number> 的子类型。

java 复制代码 
Stack<Number> numberStack = new Stack<Number>();
Collection<Object> objects = ... ;
numberStack.popAll(objects);

解决办法是使用带super的有界通配符类型。下面例子表示泛型参数为E的超类（包括E类型本身）。

java 复制代码 
// Wildcard type for parameter that serves as an E consumer
public void popAll(Collection<? super E> dst) {
  while (!isEmpty()
    dst.add(pop());
}

总结上面例子的经验，就是生产者用extends通配符，消费者用super通配符。可以简记为PECS原则：producer-extends, consumer-super。

32、合理地结合泛型和可变参数

可变参数方法和泛型在一起工作时不那么协调，因此需要特别注意。

可变参数方法的设计属于一个抽象泄漏，即当你调用可变参数方法时，将创建一个数组来保存参数；该数组本应是实现细节，却是可见的。因此会出现编译器警告。

下面是一个可变参数和泛型混用，造成类型错误的例子：

java 复制代码 
// Mixing generics and varargs can violate type safety!
static void dangerous(List<String>... stringLists) {
    List<Integer> intList = List.of(42);
    Object[] objects = stringLists;
    objects[0] = intList; // Heap pollution
    String s = stringLists[0].get(0); // ClassCastException
}

有人可能会问：为什么使用泛型可变参数声明方法是合法的，而显式创建泛型数组是非法的？因为带有泛型或参数化类型的可变参数的方法在实际开发中非常有用，因此语言设计人员选择忍受这种不一致性。

要保证可变参数和泛型混用时的类型安全，有以下两种方式：

  1. 为方法添加 SafeVarargs标记，这代表方法的编写者承诺这个方法是类型安全的，需要方法编写者自己保证。这时编译器警告会被消除。
  2. 如果方法内部保证可变参数只读，不做任何修改，那么这个方法也是类型安全的。

将数组传递给另一个使用 @SafeVarargs 正确注释的可变参数方法是安全的，将数组传递给仅计算数组内容的某个函数的非可变方法也是安全的。

33、优先考虑类型安全的异构容器

在前面的例子中，类型参数都是固定数量，例如Map<K, V>就只有两个类型参数。如果我们需要无限数量的类型参数，可以通过将类型参数放置在键上而不是容器上。例如，可以使用 DatabaseRow 类型表示数据库行，并使用泛型类型 Column<T> 作为它的键。

下面的例子实现了以类型作为键的缓存，它是类型安全的，例如以String类型为键读取时，读到的对象肯定也是String类型，而不是Integer类型。

java 复制代码 
// Typesafe heterogeneous container pattern - implementation
public class Favorites {
  private Map<Class<?>, Object> favorites = new HashMap<>();

  public <T> void putFavorite(Class<T> type, T instance) {
    favorites.put(Objects.requireNonNull(type), instance);
  }

  public <T> T getFavorite(Class<T> type) {
    return type.cast(favorites.get(type));
  }
    // Typesafe heterogeneous container pattern - client
  public static void main(String[] args) {
        Favorites f = new Favorites();
        f.putFavorite(String.class, "Java");
        f.putFavorite(Integer.class, 0xcafebabe);
        f.putFavorite(Class.class, Favorites.class);
        String favoriteString = f.getFavorite(String.class);
        int favoriteInteger = f.getFavorite(Integer.class);
        Class<?> favoriteClass = f.getFavorite(Class.class);
        System.out.printf("%s %x %s%n", favoriteString,favoriteInteger, favoriteClass.getName());
  }
}

枚举和注解

34、用枚举类型代替 int 常量

枚举类型相比int常量有不少优点，如：能提供类型安全性，能提供 toString 方法打印字符串，还允许添加任意方法和字段并实现任意接口，使得枚举成为功能齐全的抽象（富枚举类型）。

一般来说，枚举在性能上可与 int 常量相比，不过加载和初始化枚举类型需要花费空间和时间，实际应用中这一点可能不太明显。

35、使用实例字段替代序数

所有枚举都有一个 ordinal 方法，该方法返回枚举类型中每个枚举常量的数值位置：

java 复制代码 
// Abuse of ordinal to derive an associated value - DON'T DO THIS
public enum Ensemble {
    SOLO, DUET, TRIO, QUARTET, QUINTET,SEXTET, SEPTET, OCTET, NONET, DECTET;

    public int numberOfMusicians() { return ordinal() + 1; }
}

这样写虽然可行，但难以维护。如果常量被重新排序，numberOfMusicians 方法将被破坏。 更好的办法是使用一个额外的字段来代表序数：

java 复制代码 
public enum Ensemble {
    SOLO(1), DUET(2), TRIO(3), QUARTET(4), QUINTET(5),SEXTET(6), SEPTET(7), OCTET(8), DOUBLE_QUARTET(8),NONET(9), DECTET(10),TRIPLE_QUARTET(12);

    private final int numberOfMusicians;

    Ensemble(int size) { this.numberOfMusicians = size; }

    public int numberOfMusicians() { return numberOfMusicians; }
}

ordinal是为基于枚举的通用数据结构（EnumSet 和 EnumMap）设计的。除非你用到这些数据结构，否则最好完全避免使用这个方法。

36、用 EnumSet 替代位字段

如果枚举类型的元素主要在 Set 中使用，传统上使用 int 枚举模式，通过不同的 2 的平方数为每个常量赋值：

java 复制代码 
// Bit field enumeration constants - OBSOLETE!
public class Text {
    public static final int STYLE_BOLD = 1 << 0; // 1
    public static final int STYLE_ITALIC = 1 << 1; // 2
    public static final int STYLE_UNDERLINE = 1 << 2; // 4
    public static final int STYLE_STRIKETHROUGH = 1 << 3; // 8
    // Parameter is bitwise OR of zero or more STYLE_ constants
    public void applyStyles(int styles) { ... }
}

这种表示方式称为位字段，允许你使用位运算的或操作将几个常量组合成一个 Set：

java 复制代码 
text.applyStyles(STYLE_BOLD | STYLE_ITALIC);

位字段具有 int 枚举常量所有缺点，例如：

  1. 被打印成数字时难以理解
  2. 没有简单的方法遍历位字段所有元素
  3. 一旦确定了int或long作为位字段的存储类型，就不能超过它的范围（32位或64位）

EnumSet类是一种更好的选择，它避免了以上缺点。而且由于它在底层实现上与位操作类似，因此与位字段性能相当。

将之前的示例修改为使用EnumSet的方法，更加简单清晰：

java 复制代码 
// EnumSet - a modern replacement for bit fields
public class Text {
    public enum Style { BOLD, ITALIC, UNDERLINE, STRIKETHROUGH }
    // Any Set could be passed in, but EnumSet is clearly best
    public void applyStyles(Set<Style> styles) { ... }
}

下面是将 EnumSet 实例传递给 applyStyles 方法的用户代码。EnumSet 类提供了一组丰富的静态工厂，可以方便地创建 Set：

java 复制代码 
text.applyStyles(EnumSet.of(Style.BOLD, Style.ITALIC));

37、使用 EnumMap 替换序数索引

用序数索引数组不如使用 EnumMap ，应尽量少使用 ordinal() 。

例如这个类表示一种植物：

java 复制代码 
class Plant {
    enum LifeCycle { ANNUAL, PERENNIAL, BIENNIAL }
    final String name;
    final LifeCycle lifeCycle;

    Plant(String name, LifeCycle lifeCycle) {
        this.name = name;
        this.lifeCycle = lifeCycle;
    }

    @Override public String toString() {
        return name;
    }
}

假设有一个代表花园全部植物的 Plant 数组 plantsByLifeCycle，用于列出按生命周期（一年生、多年生或两年生）排列的植物：

有些程序员会将这些集合放到一个按照类型序号进行索引的数组实现这一点。

java 复制代码 
// 泛型数组
Set<Plant>[] plantsByLifeCycle =(Set<Plant>[]) new Set[Plant.LifeCycle.values().length];

for (int i = 0; i < plantsByLifeCycle.length; i++)
    plantsByLifeCycle[i] = new HashSet<>();

for (Plant p : garden)
    // Using ordinal() to index into an array - DON'T DO THIS!
    plantsByLifeCycle[p.lifeCycle.ordinal()].add(p);

// Print the results
for (int i = 0; i < plantsByLifeCycle.length; i++) {
    System.out.printf("%s: %s%n",
    Plant.LifeCycle.values()[i], plantsByLifeCycle[i]);
}

这种技术有如下问题：

  1. 数组与泛型不兼容，需要 unchecked 转换。

    1. 类型擦除：Java 的泛型是在编译时实现的，也就是说，在运行时，泛型类型信息会被擦除。而在Java中，数组是一个协变的、具有运行时类型信息的数据结构。由于泛型信息在运行时被擦除，因此在运行时无法知道具体的泛型参数类型，这和数组的运行时类型信息是相冲突的。

    2. 类型安全性：Java为了保证类型安全，禁止了泛型数组的创建。假设Java允许我们创建泛型数组，则有可能发生下面的情况：

      java 复制代码 
      List<String>[] stringLists = new List<String>[1];
Object[] objects = stringLists;
objects[0] = new ArrayList<Integer>();

      这里，将一个ArrayList<Integer>赋给了一个Object[]引用，并没有引发任何警告或错误。但是，现在stringLists[0]实际上就是一个Integer列表，如果我们试图在其中放入一个字符串，就会在运行时抛出ClassCastException。

  2. 数组不知道索引表示什么，必须手动标记输出。

  3. int 不提供枚举的类型安全性，无法检验int值的正确性。

解决方案：

  1. 使用 java.util.EnumMap：

    java 复制代码 
    // Using an EnumMap to associate data with an enum
Map<Plant.LifeCycle, Set<Plant>> plantsByLifeCycle =new EnumMap<>(Plant.LifeCycle.class);

for (Plant.LifeCycle lc : Plant.LifeCycle.values())
    plantsByLifeCycle.put(lc, new HashSet<>());

for (Plant p : garden)
    plantsByLifeCycle.get(p.lifeCycle).add(p);

System.out.println(plantsByLifeCycle);

    这个程序比原来的版本更短，更清晰，更安全，速度也差不多。速度相当的原因是，EnumMap 在内部使用这样的数组，但是它向程序员隐藏了实现细节。

  2. 使用流可以进一步缩短程序：

    java 复制代码 
    // Naive stream-based approach - unlikely to produce an EnumMap!
System.out.println(Arrays.stream(garden).collect(groupingBy(p -> p.lifeCycle)));

    这段代码的性能较差，因为底层不是基于 EnumMap，而是自己实现Map。

  3. 要改进性能，可以使用 mapFactory 参数指定 Map 实现：

    java 复制代码 
    // Using a stream and an EnumMap to associate data with an enum
System.out.println(
    Arrays.stream(garden).collect(groupingBy(p -> p.lifeCycle,() -> new EnumMap<>(LifeCycle.class), toSet()))
);

下面例子用二维数组描述了气液固三台之间的装换，并使用序数索引读取二维数组的值：

java 复制代码 
// Using ordinal() to index array of arrays - DON'T DO THIS!
public enum Phase {
    SOLID, LIQUID, GAS;

    public enum Transition {
        MELT, FREEZE, BOIL, CONDENSE, SUBLIME, DEPOSIT;

        // Rows indexed by from-ordinal, cols by to-ordinal
        private static final Transition[][] TRANSITIONS = {
            { null, MELT, SUBLIME },
            { FREEZE, null, BOIL },
            { DEPOSIT, CONDENSE, null }
        };

        // Returns the phase transition from one phase to another
        public static Transition from(Phase from, Phase to) {
            return TRANSITIONS[from.ordinal()][to.ordinal()];
        }
    }
}

这个程序的问题与前面 garden 示例一样，编译器无法知道序数和数组索引之间的关系。如果你在转换表中出错，或者在修改 Phase 或 Phase.Transition 枚举类型时忘记更新，程序将在运行时失败。

使用 EnumMap 可以做得更好：

java 复制代码 
// Using a nested EnumMap to associate data with enum pairs
public enum Phase {
    SOLID, LIQUID, GAS;

    public enum Transition {
        MELT(SOLID, LIQUID), FREEZE(LIQUID, SOLID),
        BOIL(LIQUID, GAS), CONDENSE(GAS, LIQUID),
        SUBLIME(SOLID, GAS), DEPOSIT(GAS, SOLID);
        private final Phase from;
        private final Phase to;

        Transition(Phase from, Phase to) {
            this.from = from;
            this.to = to;
        }

    // Initialize the phase transition map
    private static final Map<Phase, Map<Phase,Transition> m =
        new EnumMap<Phase, Map<Phase ,Transition>>(Phase.class);

    static{
        for (Phase p : Phase. values())
            m.put(p,new EnumMap<Phase,Transition (Phase.class));
        for (Transition trans : Transition.values() )
            m.get(trans. src).put(trans.dst, trans) ;
    }

    public static Transition from(Phase src, Phase dst) {
        return m.get(src).get(dst);
    }
}

如果你想向系统中加入一种新阶段：等离子体。这个阶段只有两个变化：电离、去离子作用。修改基于EnumMap的版本要比基于数组的版本容易得多，而且更加清晰安全：

java 复制代码 
// Adding a new phase using the nested EnumMap implementation
public enum Phase {
    SOLID, LIQUID, GAS, PLASMA;
    public enum Transition {
        MELT(SOLID, LIQUID), FREEZE(LIQUID, SOLID),
        BOIL(LIQUID, GAS), CONDENSE(GAS, LIQUID),
        SUBLIME(SOLID, GAS), DEPOSIT(GAS, SOLID),
        IONIZE(GAS, PLASMA), DEIONIZE(PLASMA, GAS);
        ... // Remainder unchanged
    }
}

38、使用接口模拟可扩展枚举

虽然不能编写可扩展枚举类型，但是可以通过编写接口来模拟它。

Java语言层面不支持可扩展枚举类型，但有时我们需要实现类似的需求，如操作码。操作码是一种枚举类型，其元素表示某些机器上的操作，例如第34条中的 Operation 类，它表示简单计算器上的函数。有时候，我们希望 API 的用户提供自己的操作，从而有效地扩展 API 提供的操作集。

一种思路是为操作码类型定义一个接口，并为接口的标准实现定义一个枚举：

java 复制代码 
// Emulated extensible enum using an interface
public interface Operation {
    double apply(double x, double y);
}

public enum BasicOperation implements Operation {
    PLUS("+") {
        public double apply(double x, double y) { return x + y; }
    },
    MINUS("-") {
        public double apply(double x, double y) { return x - y; }
    },
    TIMES("*") {
        public double apply(double x, double y) { return x * y; }
    },
    DIVIDE("/") {
        public double apply(double x, double y) { return x / y; }
    };

    private final String symbol;

    BasicOperation(String symbol) {
        this.symbol = symbol;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return symbol;
    }
}

用这种方法可以轻松扩展自己的实现：

java 复制代码 
// Emulated extension enum
public enum ExtendedOperation implements Operation {
    EXP("^") {
        public double apply(double x, double y) {
            return Math.pow(x, y);
        }
    },
    REMAINDER("%") {
        public double apply(double x, double y) {
            return x % y;
        }
    };

    private final String symbol;

    ExtendedOperation(String symbol) {
        this.symbol = symbol;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return symbol;
    }
}

通过传入扩展枚举类型到方法，可以编写一个上述代码的测试程序，它执行了前面定义的所有扩展操作：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
    double x = Double.parseDouble(args[0]);
    double y = Double.parseDouble(args[1]);
    test(ExtendedOperation.class, x, y);
}

private static <T extends Enum<T> & Operation> void test(Class<T> opEnumType, double x, double y) {
    for (Operation op : opEnumType.getEnumConstants())
        System.out.printf("%f %s %f = %f%n",x, op, y, op.apply(x, y));
}

第二个选择是传递一个 Collection<? extends Operation>，而非类对象：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
    double x = Double.parseDouble(args[0]);
    double y = Double.parseDouble(args[1]);
    test(Arrays.asList(ExtendedOperation.values()), x, y);
}

private static void test(Collection<? extends Operation> opSet,double x, double y) {
    for (Operation op : opSet)
        System.out.printf("%f %s %f = %f%n",x, op, y, op.apply(x, y));
}

这种方法的优点是：代码更简单，且允许调用者组合来自多个实现类型的操作。缺点是：放弃了在指定操作上使用 EnumSet和EnumMap的能力。

接口模拟可扩展枚举的一个小缺点是实现不能从一个枚举类型继承到另一个枚举类型。如果实现代码不依赖于任何状态，则可以使用默认实现将其放置在接口中。

39、注解优于命名模式

如果可以使用注解，那么就没有理由使用命名模式。

历史上，使用命名模式来标明某些程序元素需要框架特殊处理是很常见的。例如，JUnit 4以前的版本要求其用户通过以字符 test 开头的名称来指定测试方法。这种技术是有效的，但是有几个很大的缺点：

  1. 拼写错误会导致没有提示的失败，导致一种正确执行了测试的假象。
  2. 无法在类的级别使用test命名模式。例如，命名一个类 为TestSafetyMechanisms，希望 JUnit 3 能够自动测试它的所有方法，是行不通的。
  3. 没有提供将参数值与程序元素关联的好方法。例如，希望支持只有在抛出特定异常时才成功的测试类别。如果将异常类型名称编码到测试方法名称中，那么代码将不好看且脆弱。

JUnit 从版本 4 开始使用注解解决了上述问题。在本条目中，我们将编写自己的示例测试框架来展示注解是如何工作的：

java 复制代码 
// Marker annotation type declaration
import java.lang.annotation.*;

/**
* Indicates that the annotated method is a test method.
* Use only on parameterless static methods.
*/
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface Test {

}

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) 元注解表明测试注解在运行时生效。@Target.get(ElementType.METHOD) 元注解表明测试注解仅对方法生效。

Test的注释说明它只能用于无参的静态方法，但实际上编译器并没有对此做强制。

下面是 Test 注解实际使用时的样子。如果程序员拼错 Test 或将 Test 注解应用于除方法声明之外的元素，程序将无法编译：

java 复制代码 
// Program containing marker annotations
public class Sample {
    @Test
    public static void m1() { } // Test should pass

    public static void m2() { }

    @Test
    public static void m3() { // Test should fail
        throw new RuntimeException("Boom");
    }

    public static void m4() { }

    @Test
    public void m5() { } // INVALID USE: nonstatic method

    public static void m6() { }

    @Test
    public static void m7() { // Test should fail
        throw new RuntimeException("Crash");
    }

    public static void m8() { }
}

Sample 类有 7 个静态方法，其中 4 个被注解为 Test。其中两个方法 m3 和 m7 抛出异常，另外两个 m1 和 m5 没有抛出异常。但是，m5 不是静态方法，所以不是有效的用例。总之，Sample 包含四个测试用例：一个通过，两个失败，一个无效。

以下是解析并运行Test 注解标记的测试的例子：

java 复制代码 
// Program to process marker annotations
import java.lang.reflect.*;

public class RunTests {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int tests = 0;
        int passed = 0;
        Class<?> testClass = Class.forName(args[0]);
        for (Method m : testClass.getDeclaredMethods()) {
            if (m.isAnnotationPresent(Test.class)) {
                tests++;
                try {
                    m.invoke(null);
                    passed++;
                } catch (InvocationTargetException wrappedExc) {
                    Throwable exc = wrappedExc.getCause();
                    System.out.println(m + " failed: " + exc);
                } catch (Exception exc) {
                    System.out.println("Invalid @Test: " + m);
                }
        }
    }
    System.out.printf("Passed: %d, Failed: %d%n",passed, tests - passed);
    }
}

如果在 Sample 上运行 RunTests，输出如下：

java 复制代码 
public static void Sample.m3() failed: RuntimeException: Boom
Invalid @Test: public void Sample.m5()
public static void Sample.m7() failed: RuntimeException: Crash
Passed: 1, Failed: 3

现在让我们添加一个只在抛出特定异常时才成功的测试支持。需要一个新的注解类型：

java 复制代码 
// Annotation type with a parameter
import java.lang.annotation.*;

/**
* Indicates that the annotated method is a test method that
* must throw the designated exception to succeed.
*/
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface ExceptionTest {
    Class<? extends Throwable> value();
}

下面是这个注解的实际应用：

java 复制代码 
// Program containing annotations with a parameter
public class Sample2 {
    @ExceptionTest(ArithmeticException.class)
    public static void m1() { // Test should pass
        int i = 0;
        i = i / i;
    }

    @ExceptionTest(ArithmeticException.class)
    public static void m2() { // Should fail (wrong exception)
        int[] a = new int[0];
        int i = a[1];
    }

    @ExceptionTest(ArithmeticException.class)
    public static void m3() { } // Should fail (no exception)
}

修改RunTests类来处理新的注解。向 main 方法添加以下代码：

java 复制代码 
if (m.isAnnotationPresent(ExceptionTest.class)) {
    tests++;
    try {
        m.invoke(null);
        System.out.printf("Test %s failed: no exception%n", m);
    } catch (InvocationTargetException wrappedEx) {
        Throwable exc = wrappedEx.getCause();
        Class<? extends Throwable> excType =m.getAnnotation(ExceptionTest.class).value();
        if (excType.isInstance(exc)) {
            passed++;
        } else {
            System.out.printf("Test %s failed: expected %s, got %s%n",m, excType.getName(), exc);
        }
    }
    catch (Exception exc) {
        System.out.println("Invalid @Test: " + m);
    }
}

这段代码提取注解参数的值，并使用它来检查测试抛出的异常是否是正确的类型。

进一步修改异常测试示例，将允许的指定异常扩展到多个：

java 复制代码 
// Annotation type with an array parameter
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface ExceptionTest {
    Class<? extends Exception>[] value();
}

以下是对应的测试用例：

java 复制代码 
// Code containing an annotation with an array parameter
@ExceptionTest({ IndexOutOfBoundsException.class,NullPointerException.class })
public static void doublyBad() {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    // The spec permits this method to throw either
    // IndexOutOfBoundsException or NullPointerException
    list.addAll(5, null);
}

修改RunTests类：

java 复制代码 
if (m.isAnnotationPresent(ExceptionTest.class)) {
    tests++;
    try {
        m.invoke(null);
        System.out.printf("Test %s failed: no exception%n", m);
    } catch (Throwable wrappedExc) {
        Throwable exc = wrappedExc.getCause();
        int oldPassed = passed;
        Class<? extends Exception>[] excTypes =m.getAnnotation(ExceptionTest.class).value();
        for (Class<? extends Exception> excType : excTypes) {
            if (excType.isInstance(exc)) {
                passed++;
                break;
            }
        }
        if (passed == oldPassed)
            System.out.printf("Test %s failed: %s %n", m, exc);
    }
}

Java 8 中可以在注解声明上使用 @Repeatable （重复注解）达到类似效果，提升程序可读性：

java 复制代码 
// Repeatable annotation type
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
@Repeatable(ExceptionTestContainer.class)
public @interface ExceptionTest {
    Class<? extends Exception> value();
}

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface ExceptionTestContainer {
    ExceptionTest[] value();
}

使用重复注解代替数组值注解的测试用例：

java 复制代码 
// Code containing a repeated annotation
@ExceptionTest(IndexOutOfBoundsException.class)
@ExceptionTest(NullPointerException.class)
public static void doublyBad() { ... }

为重复注解版本对应修改RunTests类：

java 复制代码 
// Processing repeatable annotations
if (m.isAnnotationPresent(ExceptionTest.class)|| m.isAnnotationPresent(ExceptionTestContainer.class)) {
    tests++;
    try {
        m.invoke(null);
        System.out.printf("Test %s failed: no exception%n", m);
    } catch (Throwable wrappedExc) {
        Throwable exc = wrappedExc.getCause();
        int oldPassed = passed;
        ExceptionTest[] excTests =m.getAnnotationsByType(ExceptionTest.class);
        for (ExceptionTest excTest : excTests) {
            if (excTest.value().isInstance(exc)) {
                passed++;
                break;
            }
        }
        if (passed == oldPassed)
            System.out.printf("Test %s failed: %s %n", m, exc);
    }
}

40、坚持使用 @Override 注解

在每个方法声明上都使用 @Override 注解来覆盖超类型声明，编译器可以帮助减少有害错误的影响。

下面的类Bigram表示一个二元有序的字母对：

java 复制代码 
// Can you spot the bug?
public class Bigram {
    private final char first;
    private final char second;

    public Bigram(char first, char second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public boolean equals(Bigram b) {
        return b.first == first && b.second == second;
    }

    public int hashCode() {
        return 31 * first + second;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Set<Bigram> s = new HashSet<>();

        for (int i = 0; i < 10; i++)
            for (char ch = 'a'; ch <= 'z'; ch++)
                s.add(new Bigram(ch, ch));

        System.out.println(s.size());
    }
}

主程序重复地向一个集合中添加 26 个 bigram，每个 bigram 由两个相同的小写字母组成。然后它打印该集合的大小。运行该程序，它打印的不是 26 而是 260。

Bigram 类的作者打算覆盖 equals 方法，但实际上重载了它，因为参数类型不同。这个继承来的 equals 方法只能检测对象同一性，就像 == 操作符一样。每组中的每个 bigram 副本都不同于其他 9 个，这就解释了为什么程序最终打印 260。

如果使用Override注解就可以避免这个错误：

java 复制代码 
@Override
public boolean equals(Bigram b) {
    return b.first == first && b.second == second;
}

这时编译器将生成如下错误消息：

java 复制代码 
Bigram.java:10: method does not override or implement a method from a supertype
@Override public boolean equals(Bigram b) {
^

再修改为正确的实现：

java 复制代码 
@Override
public boolean equals(Object o) {
    if (!(o instanceof Bigram))
        return false;
    Bigram b = (Bigram) o;
    return b.first == first && b.second == second;
}

因此，应该在要覆盖超类声明的每个方法声明上使用 @Override 注解。只有一个例外，如果你正在编写一个非抽象类，并且它覆盖了其超类中的抽象方法，那么不一定需要添加 @Override 注解。

41、使用标记接口定义类型

标记接口是一种不包含任何方法声明的接口，它只是标记它的实现类具有某种特性。如 Serializable 接口，实现此接口的类可以写入ObjectOutputStream（被序列化）。

如果要定义类型，那么使用标记接口优于使用标记注解。

标记接口相比标记注解有两个优点：

  1. 标记接口定义的类型由标记类的实例实现；标记注解不会。前者在编译时捕获错误，后者在运行时才能捕捉错误。
  2. 可以更精确地定位。标记注解可以应用于任何类或接口，而标记接口限定于它的实现类。

标记注解的优点是：它们可以是其他注解功能的一部分。

总之，如果你想要定义一个没有与之关联的新方法的类型，可以使用标记接口。如果你希望标记类和接口之外的程序元素，或者将标记符放入已经大量使用注解类型的框架中，那么应该使用标记注解。

λ表达式和流

42、λ 表达式优于匿名类

表示小函数对象时，lambda表达式优于匿名类。

带有单个抽象方法的接口称为函数类型，它们的实例称为函数对象。历史上，创建函数对象的主要方法是匿名类。下面是一段按长度对字符串列表进行排序的代码，使用一个匿名类来创建排序的比较函数：

java 复制代码 
// Anonymous class instance as a function object - obsolete!
Collections.sort(words, new Comparator<String>() {
    public int compare(String s1, String s2) {
        return Integer.compare(s1.length(), s2.length());
    }
});

匿名类的缺点是代码过于冗长。

在 Java 8 中，将具有单个抽象方法的接口称为函数式接口，允许使用 lambda 表达式创建这些接口的实例。Lambda 表达式更加简洁：

java 复制代码 
// Lambda expression as function object (replaces anonymous class)
Collections.sort(words,(s1, s2) -> Integer.compare(s1.length(), s2.length()));

在上面的lambda 表达式中看不到对参数及其返回值类型的定义，这是因为类型是由编译器使用类型推断从上下文中推理出来的。

关于类型推断，需要注意：

  1. 第26条：不要使用原始类型。

  2. 第29条：优先使用泛型。

  3. 第30条：优先使用泛型方法。

这些建议都是为了方便编译器从泛型中获取类型推断所需的信息。否则需要在lambda表达式中手动指定类型，这会使代码更加冗长。

使用 comparator 构造方法代替 lambda 表达式，可以让代码变得更加简洁：

java 复制代码 
Collections.sort(words, comparingInt(String::length));

通过 Java 8 中添加到 List 接口的 sort 方法，可以使代码变得更短：

java 复制代码 
words.sort(comparingInt(String::length));

我们可以使用lambda表达式优化第34条中的操作枚举类型，以下是原代码：

java 复制代码 
// Enum type with constant-specific class bodies & data (Item 34)
public enum Operation {
    PLUS("+") {
        public double apply(double x, double y) { return x + y; }
    },
    MINUS("-") {
        public double apply(double x, double y) { return x - y; }
    },
    TIMES("*") {
        public double apply(double x, double y) { return x * y; }
    },
    DIVIDE("/") {
        public double apply(double x, double y) { return x / y; }
    };

    private final String symbol;

    Operation(String symbol) { this.symbol = symbol; }

    @Override
    public String toString() { return symbol; }

    public abstract double apply(double x, double y);
}

使用lambda表达式优化为可读性更好的版本：

java 复制代码 
// Enum with function object fields & constant-specific behavior
public enum Operation {
    PLUS ("+", (x, y) -> x + y),
    MINUS ("-", (x, y) -> x - y),
    TIMES ("*", (x, y) -> x * y),
    DIVIDE("/", (x, y) -> x / y);

    private final String symbol;

    private final DoubleBinaryOperator op;

    Operation(String symbol, DoubleBinaryOperator op) {
        this.symbol = symbol;
        this.op = op;
    }

    @Override public String toString() { return symbol; }

    public double apply(double x, double y) {
        return op.applyAsDouble(x, y);
    }
}

其中 DoubleBinaryOperator 接口是 java.util.function 中预定义的函数式接口之一。它表示一个函数，接收两个 double 类型参数，返回值也为 double 类型。

lambda表达式并非任何场合都适合，以下情况就不适合：

  1. 算法较难理解时。写在带有名字会更有助于理解。
  2. 代码行数过多时。一般三行是合理的最大值。
  3. 需要在lambda表达式中访问枚举实例成员时。无法访问，因为传递给enum构造函数的参数在静态上下文中计算。

有一些匿名类可以做的事情是 lambda 表达式不能做的：

  1. 创建抽象类的实例。Lambda表达式仅限于函数式接口。
  2. 创建具有多个抽象方法的接口实例。
  3. 获得对自身的引用。在 lambda 表达式中，this 关键字指的是外层实例，而非lambda表达式本身。

43、方法引用优于 λ 表达式

方法引用通常比lambda 表达式更简洁，应优先使用。

下面一个程序的代码片段的功能是：如果数字 1 不在映射中，则将其与键关联，如果键已经存在，则将关联值递增：

java 复制代码 
map.merge(key, 1, (count, incr) -> count + incr);

在 Java 8 中，Integer类提供了一个静态方法 sum，它的作用完全相同，且更简单：

java 复制代码 
map.merge(key, 1, Integer::sum);

如果 lambda 表达式太长或太复杂，那么可以将代码从 lambda 表达式提取到一个新方法中，并以对该方法的引用替换 lambda 表达式。可以为该方法起一个好名字并将其文档化。

有时候，lambda 表达式也会比方法引用更简洁。当方法与 lambda 表达式在同一个类中时，如以下代码片段发生在一个名为 GoshThisClassNameIsHumongous 的类中：

java 复制代码 
service.execute(GoshThisClassNameIsHumongous::action);

使用 lambda 表达式会更简洁：

java 复制代码 
service.execute(() -> action());

许多方法引用指向静态方法，但是有四种方法不指向静态方法。其中两个是绑定和非绑定实例方法引用。在绑定引用中，接收对象在方法引用中指定。在未绑定引用中，在应用函数对象时通过方法声明参数之前的附加参数指定接收对象。最后，对于类和数组，有两种构造函数引用。五种类型的方法汇总如下表：

方法引用类型 例子 等价的lambda表达式
静态 Integer::parseInt str -> Integer.parseInt(str)
绑定 Instant.now()::isAfter Instant then =Instant.now(); t ->then.isAfter(t)
非绑定 String::toLowerCase str ->str.toLowerCase()
类构造方法 TreeMap<K,V>::new () -> new TreeMap<K,V>
数组构造方法 int[]::new len -> new int[len]

44、优先使用标准函数式接口

自从 Java 已经有了 lambda 表达式，编写 API 的最佳实践变化很大。例如，以前会用子类覆盖基类方法以实现多态，现代的替代方法是提供一个静态工厂或构造函数，它接受一个函数对象来实现相同的效果。

例如 LinkedHashMap。可以通过覆盖受保护的 removeEldestEntry 方法将该类用作缓存，每当向映射添加新键时，put 都会调用该方法。当该方法返回 true 时，映射将删除传递给该方法的最老条目。下面的覆盖保证在每次添加新键时删除最老的条目，维护 100 个最近的条目：

java 复制代码 
protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
    return size() > 100;
}

如果使用 lambda 表达式改造，那么LinkedHashMap将有一个静态工厂或构造函数，它接受一个函数对象，函数对象实现的函数式接口如下：

java 复制代码 
// Unnecessary functional interface; use a standard one instead.
@FunctionalInterface interface EldestEntryRemovalFunction<K,V>{
    boolean remove(Map<K,V> map, Map.Entry<K,V> eldest);
}

上面对于新接口的声明不是必需的，因为java.util.function 包已经提供了大量的标准函数接口。如果一个标准的函数式接口可以完成这项工作，那么你通常应该优先使用它，而不是使用专门构建的函数式接口。 在LinkedHashMap 示例中，应该优先使用标准的 BiPredicate<Map<K,V>、Map.Entry<K,V>> 接口。

java.util.function 中有 43 个接口。可以只用记住 6 个基本接口，其余的接口在需要时派生出来：

  1. Operator 接口：表示结果和参数类型相同的函数。（根据参数数量可分为一元、二元）
  2. Predicate 接口：表示接受参数并返回布尔值的函数。
  3. Function 接口：表示参数和返回类型不同的函数。
  4. Supplier 接口：表示一个不接受参数并返回值的函数。
  5. Consumer 接口：表示一个函数，该函数接受一个参数，但不返回任何内容，本质上是使用它的参数。

六个基本的函数式接口总结如下：

接口 方法签名 例子
UnaryOperator<T> T apply(T t) String::toLowerCase
BinaryOperator<T> T apply(T t1, T t2) BigInteger::add
Predicate<T> boolean test(T t) Collection::isEmpty
Function<T,R> R apply(T t) Arrays::asList
Supplier<T> T get() Instant::now
Consumer<T> void accept(T t) System.out::println

大多数标准函数式接口的存在只是为了提供对基本类型的支持。例如，一个接受 int 的 Predicate 就是一个 IntPredicate，一个接受两个 long 值并返回一个 long 的二元操作符就是一个 LongBinaryOperator。不要尝试用带有包装类的基本函数式接口替代它们，因为这会带来糟糕的性能。

如果标准的函数式接口都不能满足需求，那么需要自行编写，例如，如果你需要一个接受三个参数的 Predicate，或者一个抛出已检查异常的 Predicate。

但是有时候即使其中一个标准接口在结构上满足需求，也应该编写自己的函数接口。以 Comparator<T>为例，它在结构上与 ToIntBiFunction<T,T> 接口相同。有几个原因前者优于后者：

  1. Comparator的名称提供了优秀的文档，且使用频繁。
  2. 通过实现接口，保证遵守其约定。
  3. 该接口拥有大量用于转换和组合比较器的有用默认方法。

如果需要一个与 Comparator 共享以下特性的函数式接口，那么应该考虑编写一个专用的函数式接口，而不是使用标准接口：

  1. 将被广泛使用，并且从描述性名称中获益。
  2. 有一个严格的约定。
  3. 受益于自定义默认方法。

建议总是用 @FunctionalInterface 注释你的函数接口。 有三个好处：

  1. 告诉文档读者，接口的设计是为了启用 lambda 表达式。
  2. 除非只有一个抽象方法，否则编译会报错。
  3. 防止维护者在接口发展过程中意外地向接口添加抽象方法。

45、明智地使用流

根据具体场合决定使用流还是迭代。

在 Java 8 中添加了流 API，以简化序列或并行执行批量操作的任务。其中有两个关键的抽象：流（表示有限或无限的数据元素序列）和流管道（表示对这些元素的多阶段计算）。流中的数据元素可以是对象的引用或基本数据类型。支持三种基本数据类型：int、long 和 double。

流管道由源流、零个或多个中间操作（intermediate）和一个终止操作（terminal ）组成。每个中间操作以某种方式转换流，例如将每个元素映射到该元素的一个函数，或者过滤掉不满足某些条件的所有元素。终止操作做最终计算，例如将其元素存储到集合中、返回特定元素、或打印其所有元素。

流管道的计算是惰性的：直到调用终止操作时才开始计算，并且对完成终止操作不需要的数据元素永远不会计算。注意，没有终止操作的流管道是无动作的，因此不要忘记包含一个终止操作。

如果使用得当，流可以使程序更短、更清晰；否则，它们会降低程序可读性。

下面的程序从字典文件中读取单词并打印所有大小满足用户指定最小值的变位词组。如果两个单词以不同的顺序由相同的字母组成，那么它们就是变位词，属于同一个变位词组：

java 复制代码 
// Prints all large anagram groups in a dictionary iteratively
public class Anagrams {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File dictionary = new File(args[0]);
        int minGroupSize = Integer.parseInt(args[1]);
        Map<String, Set<String>> groups = new HashMap<>();
        try (Scanner s = new Scanner(dictionary)) {
            while (s.hasNext()) {
                String word = s.next();
                groups.computeIfAbsent(alphabetize(word),(unused) -> new TreeSet<>()).add(word);
            }
        }
        for (Set<String> group : groups.values())
        if (group.size() >= minGroupSize)
            System.out.println(group.size() + ": " + group);
    }

    private static String alphabetize(String s) {
        char[] a = s.toCharArray();
        Arrays.sort(a);
        return new String(a);
    }
}

将每个单词插入到 Map 中使用了computeIfAbsent方法：如果键存在，那么该方法仅返回与其关联的值；否则，该方法通过将给定的函数对象应用于键来计算一个值，并将该键值对放置到Map中。

将其修改成使用流的版本：

java 复制代码 
// Overuse of streams - don't do this!
public class Anagrams {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Path dictionary = Paths.get(args[0]);
        int minGroupSize = Integer.parseInt(args[1]);
        try (Stream<String> words = Files.lines(dictionary)) {
            words.collect(
            groupingBy(word -> word.chars().sorted()
            .collect(StringBuilder::new,(sb, c) -> sb.append((char) c),
            StringBuilder::append).toString()))
            .values().stream()
            .filter(group -> group.size() >= minGroupSize)
            .map(group -> group.size() + ": " + group)
            .forEach(System.out::println);
        }
    }
}

上面代码难以阅读，原因是过度使用了流。我们减少一些非必要使用流的地方，优化成如下代码：

java 复制代码 
// Tasteful use of streams enhances clarity and conciseness
public class Anagrams {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Path dictionary = Paths.get(args[0]);
        int minGroupSize = Integer.parseInt(args[1]);
        try (Stream<String> words = Files.lines(dictionary)) {
            words.collect(groupingBy(word -> alphabetize(word)))
            .values().stream()
            .filter(group -> group.size() >= minGroupSize)
            .forEach(g -> System.out.println(g.size() + ": " + g));
        }
    }
    // alphabetize method is the same as in original version
}

注意，参数 g 实际上应该命名为 group，但是生成的代码太长，在没有显式类型的情况下，lambda 表达式参数的谨慎命名对于流管道的可读性至关重要。另外，单词的字母化是在一个单独的字母化方法中完成的，好处是将实现细节排除在主程序之外，从而增强可读性。

使用流处理 char 值有风险，应尽量避免。例如下面代码：

java 复制代码 
"Hello world!".chars().forEach(System.out::print);

你可能希望它打印 Hello world!，但实际打印 721011081081113211911111410810033。这是因为 "Hello world!".chars() 返回的流元素不是 char 值，而是 int 值，因此调用了 print 的 int 重载。可以通过强制调用正确的重载来修复：

java 复制代码 
"Hello world!".chars().forEach(x -> System.out.print((char) x));

迭代使用的是代码块，而流通常使用的是lambda表达式或方法引用。有些事情可以在代码块中做，却不能在lambda表达式中做：

  1. 读取或修改作用域中的任何局部变量。lambda 表达式中不能修改局部变量。
  2. 从封闭方法返回、中断或继续封闭循环。
  3. 抛出声明要抛出的任何已检查异常。

流擅长做的事情：

  1. 元素序列的统一变换。
  2. 过滤元素序列。
  3. 使用单个操作组合元素序列（例如添加、连接或计算它们的最小值）。
  4. 将元素序列累积到一个集合中，可能是按某个公共属性对它们进行分组。
  5. 在元素序列中搜索满足某些条件的元素。

使用流很难做到的一件事是从管道的多个阶段同时访问相应的元素：一旦你将一个值映射到另一个值，原始值就会丢失。一个解决方案是将每个值映射到包含原始值和新值的 pair 对象，但这会让代码更加冗长。更好的解决方案是在需要访问早期阶段值时反转映射。

例如，编写一个程序来打印前 20 个 Mersenne 素数。一个 Mersenne 素数的数量是一个数字形式 2p − 1。如果 p 是素数，对应的 Mersenne 数可以是素数；如果是的话，这就是 Mersenne 素数。作为管道中的初始流，我们需要所有质数：

java 复制代码 
static Stream<BigInteger> primes() {
    return Stream.iterate(TWO, BigInteger::nextProbablePrime);
}

下面是打印前 20 个 Mersenne 素数的程序：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
    primes().map(p -> TWO.pow(p.intValueExact()).subtract(ONE))
    .filter(mersenne -> mersenne.isProbablePrime(50))
    .limit(20)
    .forEach(System.out::println);
}

现在假设我们想要在每个 Mersenne 素数之前加上它的指数，这个值只在初始流中存在。幸运的是，通过对第一个中间操作中发生的映射求逆，可以很容易地计算出 Mersenne 数的指数：

java 复制代码 
.forEach(mp -> System.out.println(mp.bitLength() + ": " + mp));

在许多任务中，使用流还是迭代并不明显。例如，考虑初始化一副新纸牌的任务。假设 Card 是一个不可变的值类，它封装了 Rank 和 Suit，它们都是 enum 类型。此任务代表需要计算可从两个集合中选择的所有元素对的任何任务，也称为这两个集合的笛卡尔积：

java 复制代码 
// Iterative Cartesian product computation
private static List<Card> newDeck() {
    List<Card> result = new ArrayList<>();
    for (Suit suit : Suit.values())
    for (Rank rank : Rank.values())
    result.add(new Card(suit, rank));
    return result;
}

下面是一个基于流的实现:

java 复制代码 
// Stream-based Cartesian product computation
private static List<Card> newDeck() {
    return Stream.of(Suit.values())
    .flatMap(suit ->Stream.of(Rank.values())
    .map(rank -> new Card(suit, rank)))
    .collect(toList());
}

两个版本的 newDeck 哪个更好？这个只能说见仁见智了。

46、在流中使用无副作用的函数

应保证传递到流操作（包括中间操作和终止操作）中的任何函数对象都应该没有副作用。

下面代码用于构建文本文件中单词的频率表：

java 复制代码 
// Uses the streams API but not the paradigm--Don't do this!
Map<String, Long> freq = new HashMap<>();
try (Stream<String> words = new Scanner(file).tokens()) {
    words.forEach(word -> {
        freq.merge(word.toLowerCase(), 1L, Long::sum);
    });
}

上面代码根本不是流代码，而是伪装成流代码的迭代代码，而且比普通迭代代码更冗长。原因是这段代码在一个 终止操作中（forEach）执行它的所有工作，这是一种不当用法，终止操作本应只用来收集计算结果。正确的写法应该是：

java 复制代码 
// Proper use of streams to initialize a frequency table
Map<String, Long> freq;
try (Stream<String> words = new Scanner(file).tokens()) {
    freq = words.collect(groupingBy(String::toLowerCase, counting()));
}

改进后的代码使用了 收集器（collector），它是用来收集计算结果的集合。收集器有三种：toList()、toSet() 和 toCollection(collectionFactory)，分别返回 List、Set 和程序员指定的集合类型。下面代码用收集器从 freq 表中提取前 10 个元素来构成一个新 List。

java 复制代码 
// Pipeline to get a top-ten list of words from a frequency table
List<String> topTen = freq.keySet().stream()
    .sorted(comparing(freq::get).reversed())
    .limit(10)
    .collect(toList());

最简单的 Map 收集器是 toMap(keyMapper, valueMapper)，它接受两个函数，一个将流元素映射到键，另一个映射到值。我们在第34条中的 fromString 实现中使用了该收集器来创建枚举的字符串形式到枚举本身的映射：

java 复制代码 
// Using a toMap collector to make a map from string to enum
private static final Map<String, Operation> stringToEnum =Stream.of(values()).collect(toMap(Object::toString, e -> e));

注意：需保证流中的每个元素映射到唯一的键。如果多个流元素映射到同一个键，管道将以 IllegalStateException 结束。

toMap 的三参数形式，允许为toMap 方法提供一个 merge 函数。例如，从有一个由不同艺术家录制的唱片流，可以得到一个从艺术家到最畅销唱片的映射：

java 复制代码 
// Collector to generate a map from key to chosen element for key
Map<Artist, Album> topHits = albums.collect(
        toMap(Album::artist, a->a, maxBy(comparing(Album::sales)
    )
));

toMap 的三参数形式的另一个用途是，当发生键冲突时，它强制执行后写覆盖的策略。例如：

java 复制代码 
// Collector to impose last-write-wins policy
toMap(keyMapper, valueMapper, (v1, v2) -> v2)

toMap 也提供了四参数的版本，当你想要指定一个特定的 Map 实现（如 EnumMap 或 TreeMap）时，可以使用它。

还有前三个版本的 toMap 的变体形式，名为 toConcurrentMap，它们可以有效地并行运行，同时生成 ConcurrentHashMap 实例。

收集器API 还提供 groupingBy 方法，该方法生成基于分类器函数将元素分组为类别的映射。例如下面代码：

java 复制代码 
words.collect(groupingBy(word -> alphabetize(word)))

groupingBy也提供两参数形式，将 counting() 作为下游收集器传递。这将生成一个 Map，它将每个类别与类别中的元素数量相关联：

java 复制代码 
Map<String, Long> freq = words.collect(groupingBy(String::toLowerCase, counting()));

另一个收集器方法是 join，它只对 CharSequence 实例流（如字符串）执行操作。它接受一个名为 delimiter 的 CharSequence 参数，然后在相邻元素之间插入分隔符。如果传入逗号作为分隔符，收集器将返回逗号分隔的值字符串。

47、优先选择 Collection 而不是流作为返回类型

如果一个 API 只返回一个流，而一些用户希望使用 for-each 循环遍历返回的序列，那么这些用户将会感到困难。例如：

java 复制代码 
// Won't compile, due to limitations on Java's type inference
for (ProcessHandle ph : ProcessHandle.allProcesses()::iterator) {
    // Process the process
}

编译时会报错：

java 复制代码 
Test.java:6: error: method reference not expected here
for (ProcessHandle ph : ProcessHandle.allProcesses()::iterator) {
^

解决方法是将方法引用转换为适当参数化的 Iterable：

java 复制代码 
// Hideous workaround to iterate over a stream
for (ProcessHandle ph : (Iterable<ProcessHandle>)ProcessHandle.allProcesses()::iterator)

上面的代码太繁琐，更好的解决方案是使用适配器方法：

java 复制代码 
// Adapter from Stream<E> to Iterable<E>
public static <E> Iterable<E> iterableOf(Stream<E> stream) {
    return stream::iterator;
}

通过这个适配器可以使用 for-each 语句遍历流：

java 复制代码 
for (ProcessHandle p : iterableOf(ProcessHandle.allProcesses())) {
    // Process the process
}

同样，如果返回的是迭代器，而希望使用的是流，那么也需要编写适配器：

java 复制代码 
// Adapter from Iterable<E> to Stream<E>
public static <E> Stream<E> streamOf(Iterable<E> iterable) {
    return StreamSupport.stream(iterable.spliterator(), false);
}

如果考虑到作为公共API对外提供，那么建议使用Collection作为方法返回值。Collection 接口是 Iterable 的一个子类型，它有一个流方法，因此它提供了迭代和流两种访问方式。

假设你想要返回给定集合的幂集，该集合由它的所有子集组成。例如{a, b, c} 的排列组合有 {{}, {a}, {b}, {c}, {a, b}, {a, c}, {b, c}, {a, b, c}}。下面是代码：

java 复制代码 
// Returns the power set of an input set as custom collection
public class PowerSet {
    public static final <E> Collection<Set<E>> of(Set<E> s) {
        List<E> src = new ArrayList<>(s);
        if (src.size() > 30)
            throw new IllegalArgumentException("Set too big " + s);

        return new AbstractList<Set<E>>() {
            @Override
            public int size() {
                return 1 << src.size(); // 2 to the power srcSize
            }

            @Override
            public boolean contains(Object o) {
                return o instanceof Set && src.containsAll((Set)o);
            }

            @Override
            public Set<E> get(int index) {
                Set<E> result = new HashSet<>();
                for (int i = 0; index != 0; i++, index >>= 1)
                    if ((index & 1) == 1)
                        result.add(src.get(i));
                return result;
            }
        };
    }
}

另一个例子是实现一个输入列表的所有子列表的流：

java 复制代码 
// Returns a stream of all the sublists of its input list
public class SubLists {
    public static <E> Stream<List<E>> of(List<E> list) {
        return Stream.concat(Stream.of(Collections.emptyList()),prefixes(list).flatMap(SubLists::suffixes));
    }

    private static <E> Stream<List<E>> prefixes(List<E> list) {
        return IntStream.rangeClosed(1, list.size()).mapToObj(end -> list.subList(0, end));
    }

    private static <E> Stream<List<E>> suffixes(List<E> list) {
        return IntStream.range(0, list.size()).mapToObj(start -> list.subList(start, list.size()));
    }
}

我们的子列表实现在本质上类似于嵌套的 for 循环：

java 复制代码 
for (int start = 0; start < src.size(); start++)
    for (int end = start + 1; end <= src.size(); end++)
        System.out.println(src.subList(start, end));

结论是，在编写返回元素序列的方法时，遵循以下建议：

  1. 如果可以返回集合，那么就这样做。
  2. 如果你已经在一个集合中拥有了元素，或者序列中的元素数量足够小，可以创建一个新的元素，那么返回一个标准集合，例如 ArrayList 。
  3. 否则像对 power 集合那样实现自定义集合。
  4. 如果返回集合不可行，则返回流或 iterable，以看起来更自然的方式返回。

48、谨慎使用并行流

绝大多数情况下，不要并行化流，除非通过测试证明它能保持计算的正确性以及提高性能。

编写正确且快速的并发程序是件困难的事情。考虑第45条中打印素数的程序：

java 复制代码 
// Stream-based program to generate the first 20 Mersenne primes
public static void main(String[] args) {
    primes().map(p -> TWO.pow(p.intValueExact()).subtract(ONE))
    .filter(mersenne -> mersenne.isProbablePrime(50))
    .limit(20)
    .forEach(System.out::println);
}

static Stream<BigInteger> primes() {
    return Stream.iterate(TWO, BigInteger::nextProbablePrime);
}

假设尝试通过向流管道添加 parallel() 来加速它，性能会有提升吗？结果是它不会打印任何东西，但是 CPU 使用率会飙升到 90%，并且会无限期地停留在那里（活跃性失败）。

原因是stream 库不知道如何并行化这个管道。如果源来自 Stream.iterate 或使用中间操作限制，并行化管道不太可能提高其性能。

并行性能带来明显性能提升的场合：

  1. ArrayList、HashMap、HashSet 和 ConcurrentHashMap 实例
  2. 数组
  3. 有界的IntStream和LongStream

这些数据结构的共同之处是：

  1. 可以被精确且廉价地分割成任意大小的子结构，这使得在并行线程之间划分工作变得很容易。

  2. 顺序处理时提供了良好的引用局部性（locality of reference）。引用局部性是指，当一个存储位置被处理器访问时，短时间内这个位置及附近位置被重复访问的趋势。良好的引用局部性可以充分利用处理器的多级缓存，带来性能提升。

流管道的终止操作的性质也会影响并行执行的效果。如果在终止操作中做了大量工作，且操作是顺序的，那么并行带来的提升很有限。并行的最佳终止操作是缩减型的方法，如reduce、min、max、count和sum。短路操作anyMatch、allMatch 和 noneMatch 也适用于并行。collect 方法执行的操作称为可变缩减，它们不是并行的好候选，因为组合集合的开销是昂贵的。

并行化流使用的函数对象还需要遵守一些规范，否则可能导致不正确的结果。这些规范例如：传递给流的reduce 操作的累加器和组合器函数必须是关联的、不干扰的和无状态的。

并行化流必须经过严格的性能测试，确保带来的收益超过代价。一般的经验是，流中的元素数量乘以每个元素执行的代码行数至少应该是100000。

某些领域，如机器学习和数据处理，特别适合使用并行流。例如下面代码：

java 复制代码 
// Prime-counting stream pipeline - parallel version
static long pi(long n) {
    return LongStream.rangeClosed(2, n)
    .parallel()
    .mapToObj(BigInteger::valueOf)
    .filter(i -> i.isProbablePrime(50))
    .count();
}

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