Java 缺失的特性：操作符重载

本文介绍了什么是操作符重载、为什么需要操作符重载、如何在Java中实现操作符重载以及一些建议。

什么是操作符重载

操作符重载，就是把已经定义的、有一定功能的操作符进行重新定义，来完成更为细致具体的运算等功能。从面向对象的角度说，就是可以将操作符定义为类的方法，使得该操作符的功能可以用来代表对象的某个行为。

为什么需要操作符重载

我们来考虑实现这样的功能：使用 BigInteger 来实现的完全平方差公式(a^2 + 2ab + b^2)

private static final BigInteger BI_2 = BigInteger.valueOf(2);

常规写法：

BigInteger res = a.multiply(a).subtract(BI_2.multiply(a).multiply(b)).add(b.multiply(b));

假设可以对 Java 中的 *、+、- 进行操作符重载，那么我们就可以直接这样写：

BigInteger res = a * a - BI_2 * a * b + b * b;

所以，对于非原始类型的数值运算，如果能够进行操作符重载，至少有 2 个好处：

1. 代码写起来更简单，不容易出错
2. 代码更容易阅读，不会一堆括号嵌套

如何在 Java 中实现操作符重载

在 Java 中实现操作符重载，依然是使用我们的黑科技 Manifold[1]。Manifold 可以为 Java 提供各种场景操作符的重载功能，例如算数操作符（包括 +、-、*、/、%）、比较操作符（>、>=、<、<=、==、!=）、索引操作符（即 []）等。关于 Manifold 的集成，可以参考上一篇文章：Java 缺失的特性：扩展方法 

算数操作符

Manifold 是将每个算数操作符的重载，映射到特定名称的函数。例如你在某个类 A 中定义了 plus(B) 的方法，那么这个类就可以使用 a + b 代替 a.plus(b) 进行调用。具体的映射关系为：

—— 用过 Kotlin 的同学应该会会心一笑，这就是模仿的 Kotlin 的操作符重载。

为了方便举例说明，我们定义一个数值类型 Num：

public class Num {

    private final int v;

    public Num(int v) {
        this.v = v;
    }

    public Num plus(Num that) {
        return new Num(this.v + that.v);
    }

    public Num minus(Num that) {
        return new Num(this.v - that.v);
    }

    public Num times(Num that) {
        return new Num(this.v * that.v);
    }
}

对于下面的代码：

Num a = new Num(1);
Num b = new Num(2);

Num c = a + b - a;

Manifold 在编译期处理之后，会变成：

在数学运算上操作符存在优先级，Manifold 当然也是支持的。所以对于这样的代码：

Num c = a + a * b - b;

Manifold 处理之后，则是：

而且因为 Java 支持方法重载，所以对于 plus 方法，可以接收多种类型的参数。

public class Num {

    ...

    public Num plus(Num that) {
        return new Num(this.v + that.v);
    }

    public Num plus(int i) {
        return new Num(v + i);
    }
}

这极大的增强了操作符重载的能力：

Num c = a + 1 + b;

在 Manifold 处理之后：

值得注意的是，因为 + 和 * 都是满足交换律的，所以 a + b 首先会去对象 a 中寻找符合的 plus 方法，如果 a 中存在，则执行的是 a.plus(b)；如果 a 中不存在，而 b 中存在符合的 plus 方法，则执行的是 b.plus(a)。a * b 同理。

Java 对原始类型中的数值支持复合赋值，即 +=、-= 这些，Manifold 也支持：

如果是现有的库，不能直接给它的类加这些方法该怎么办？别忘了 Manifold 支持扩展方法的哦。

比较操作符

我们都知道，对于非原始类型的 Java 对象，进行大小的比较用的是 Comparable<T>。如果你的对象实现了 Comparable<T>，那么恭喜你，Manifold 直接让你拥有了 >、>=、<、<= 这四个比较操作符的重载：

我们让 Num 实现 Comparable<Num>：

public class Num implements Comparable<Num> {

    ...
    
    @Override
    public int compareTo(Num that) {
        return this.v - that.v;
    }
}

那么对于这样的代码：

Num a = new Num(1);
Num b = new Num(2);

if (a > b) {
    System.out.println("a > b");
}

if (a < b) {
    System.out.println("a < b");
}

运行代码会输出 a < b，因为代码在被 Manifold 处理之后会变为：

你是不是激动的要问，那么 == 和 != 呢，Manifold 支持了吗？是的，我的朋友，它支持了（翻译腔）。Manifold 提供了一个新的接口 ComparableUsing<T>，通过它你可以实现对 == 和 != 的重载。

ComparableUsing<T> 继承了 Comparable<T> 接口，并且添加了两个方法，compareToUsing 和 equalityMode。查看 comparableUsing 的默认实现：

可见对于 >、>=、<、<= 这四种操作符的重载，直接是使用 Comparable<T> 的 compareTo 的实现。而对于 == 和 !=，则是根据 equalityMode 方法的返回值，来选择使用何种实现：

• 如果是 
  EqualityMode.CompareTo
  ，则 
  ==
   和 
  !=
   的重载分别对应的是 
  compareTo
   方法返回值为 0 和 非0 的情况。
• 如果是 
  EqualityMode.Equals
  ，则 
  ==
   和 
  !=
   的重载分别对应的是 
  equals
   方法返回值为 
  true
   和 
  false
   的情况。
• 如果是 
  EqualityMode.Identity
  ，那使用的是 Java 的默认实现，即比较对象的引用地址是否相同。

而 equalityMode 默认的方法返回值为 EqualityMode.Equals，即 Manifold 默认使用 equals 方法来进行 == 和 != 的判断。当然，你也可以不使用 Manifold 的 equalityMode 这套逻辑，直接实现自己的 compareUsing 方法，处理各种 Operator 的比较逻辑。

我们让 Num 实现 ComparableUsing<Num> 接口，并覆写 equals：

public class Num implements ComparableUsing<Num> {

    ...
    
    @Override
    public int compareTo(Num that) {
        return this.v - that.v;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) { return true; }

        if (obj instanceof Num) {
            Num that = (Num) obj;
            return this.v == that.v;
        }

        return false;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(v);
    }
}

则此时我们对 == 和 != 进行了重载，并且使用的是基于 equals 方法的实现。那么对于下面的代码：

Num a = new Num(1);
Num b = new Num(1);

if (a == b) {
    System.out.println("a == b");
}

if (a != b) {
    System.out.println("a != b");
}

运行代码会打印 a == b，因为 Manifold 处理之后的代码会变为：

Amazing！我们终于实现了 N 年前的梦想，让 == 和 != 是使用 equals 方法的逻辑进行比较，而不是比较引用地址。

你应该也发现了，如果某个类型 T 要实现 ComparableUsing<T>，那么说明 T 一定是 Comparable<T>。也就是说，如果你想要对 T 重载 == 和 !=，则要求 T 一定是可比较的。Manifold 之所以这样做，而不是为重载 == 和 != 提供单独的接口，是因为作者目前认为用 == 和 != 来代替 equals，弊大于利 —— 毕竟用 equals 来比较两个对象是否相等这件事，在 Java 中太深入人心了。所以目前 Manifold 作者希望大家只对数值和量词这类的对象使用 == 和 !=，不要产生滥用行为。

如果是现有的库，比如 String、BigInteger，不能直接给它的类新增接口实现怎么办？你可以给这个类建一个扩展类，然后让扩展类实现 ComparableUsing<T>，然后 Manifold 会按照这个类实现了 ComparableUsing<T> 进行处理。比如 Manifold 对于 BigInteger 的扩展类 ManBigIntegerExt（位于 manifold-science 库中）：

它以扩展方法的形式，提供了自定义逻辑的 compareUsing 实现：

注意，这个时候要用 abstract 关键字修饰扩展类，因为它不是真的要以常规方式来实现 ComparableUsing<T> 接口。或者，你也可以把扩展类声明为接口，然后继承 ComparableUsing<T> 接口。

 

索引操作符

 

Java 对数组是支持索引操作符的，比如 nums[i] 是访问数组索引为 i 的元素，nums[i] = n 是对数组索引为 i 的位置进行赋值。但对 List 和 Map，Java 说 “不好意思，因为我是 Java，这个支持不了”。所以 Manifold 又出手了，让你不再只能羡慕其他语言。

因为 java.util.List 已经具备了这两个方法，所以有了 Manifold，你可以这样写代码：

而 Map 只有 get 方法，没有 set 方法，所以你可以在 Map 扩展类里面，加一个 set：

@Extension
public class MapExt {

    public static <K, V> V set(@This Map<K, V> map, K key, V value) {
        return map.put(key, value);
    }
}

然后我们就可以这样写代码了：

简直不要太爽！需要注意的是，Manifold 对 set 方法是有要求的：set 方法的返回值不能为 void，并且应该返回和第二个参数一样类型的值（一般是返回旧值）。之所以有这样的要求，是为了和 Java 本身的数组的索引赋值表达式保持一致（如果 set 返回的是 void，索引赋值表达式就无法支持了）。在 Java 中，你可以这样赋值：

int[] nums = {1, 2, 3};
int value = nums[0] = 10;

执行完成之后，num[0] 和 value，都会是 10。所以，当我们使用索引赋值表达式的时候：

List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c");
String value = list[0] = "A";

Manifold 处理之后，代码会变成：

因而类似于 T value = list[0] = obj 的表达式，执行完之后 value 不是 set 方法的返回值，而是最右侧的值。

单位操作符

Manifold 还提供一种非常有意思的功能：单位操作符。顾名思义，就是我们可以在代码中提供“单位”功能。比如下面这种代码：

你是不是已经惊呆了？我第一次见到的时候也是满脑子“还能这样操作”的惊奇。而这个 dt，就是“单位”。查看 Manifold 处理后的代码：

也就是说 Manifold 将 "xxx"dt 替换为了 dt.postfixBind("xxx")，那么你也就可以猜到 DateTimeUnit 类的代码：

public class DateTimeUnit {

    private static final 
    DateTimeFormatter FORMATTER = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public LocalDateTime postfixBind(String value) {
        return LocalDateTime.parse(value, FORMATTER);
    }
}

postfixBind 表示这个单位是“后缀单位”，就是你看到的 "xxx"dt，dt 在 "xxx" 的后面。Manifold 同时也支持“前缀单位”，对应的方法是 prefixBind，比如：

public class DateTimeUnit {

    ...

    public LocalDateTime prefixBind(String value) {
        return LocalDateTime.parse(value, FORMATTER);
    }
}

添加了 prefixBind(String) 后，那么就可以这样定义 LocalDateTime：

Amazing！有了“单位”功能，我们就可以做出很多实用的“字面量”功能。比如定义 BigInteger 的“单位”：

public class BigIntegerUnit {

    public BigInteger postfixBind(Integer value) {
        return BigInteger.valueOf(value);
    }

    public BigInteger postfixBind(String value) {
        return new BigInteger(value);
    }
}

配合 Manifold 的 auto（类似于 Java10 提供的 var，但是 auto 还可以用来定义属性）：

谁还会认为你用的是 Java8？对于不知道 Manifold 的同事，你和他说你用的是一门新的名叫 Java888 的语言，他都会相信的 :)。而且我们还可以将 postfixBind 和 prefixBind 放在一起使用，比如提供下面的类：

public class MapEntryBuilder {

    public <K> EntryKey<K> postfixBind(K key) {
        return new EntryKey<>(key);
    }

    public static class EntryKey<K> {

        private final K key;

        public EntryKey(K key) {
            this.key = key;
        }

        public <V> Map.Entry<K, V> prefixBind(V value) {
            return new AbstractMap.SimpleImmutableEntry<>(key, value);
        }
    }
}

那么，便可以通过下面这种方式来创建 Map.Entry（先通过 to.postfixBind 创建 EntryKey，再通过 EntryKey 的 prefixBind 方法创建 Map.Entry）：

如果我们再为 Map 提供如下静态扩展方法：

@Extension
public class MapExt {

    @Extension
    @SafeVarargs
    public static <K, V> Map<K, V> of(Map.Entry<K, V>... entries) {
        Map<K, V> map = new LinkedHashMap<>(entries.length);

        for (Map.Entry<K, V> entry : entries) {
            map.put(entry.getKey(), entry.getValue());
        }

        return Collections.unmodifiableMap(map);
    }
}

那么你可以这样创建 Map：

建议

Java 一直以来都不支持操作符重载，肯定是有其原因的。作为一门之前主打企业应用开发的语言，确实操作符重载不是必要的。但随着硬件的发展，我们也看到 Java 越来越多的出现在数据科学/高性能计算的领域，同时 Java 也开始尝试提供值类型：Project Valhalla[2]。所以，也许在不久后的将来，随着值类型在计算方面的广泛应用，在 Java 中提供操作符重载的呼声会越来越高，进而被 JCP 采纳。而 Manifold 作为先驱者，提前让我们可以体验未来的 Java，幸甚至哉！

当然，和扩展方法一样，如果决定在项目中采用 Manifold 提供操作符重载，我们一定要做到“管住自己的手”。当想要添加某个操作符重载时，一定要先问自己一遍 “这个类是否具备该操作符对应语义的功能，用操作符写的代码是否会降低代码可读性”。

参考链接：

[1]https://github.com/manifold-systems/manifold

[2]https://openjdk.org/jeps/8277163

 

作者|周密(之叶)