Java 密封类 (Sealed Classes) 深度解析

语法说明

定义密封类

密封类是通过 sealed 关键字定义的，并且必须在 permits 子句中列出所有直接子类。这个列表是静态的，意味着一旦编译完成，不能添加新的子类到这个列表中。

public sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Square {
    // 类体
}

这段代码定义了一个名为 Shape 的密封类，它只允许 Circle, Rectangle, 和 Square 直接继承它。

定义子类

每个被允许的子类都必须明确声明它们是否可以被进一步继承：

• 最终类 (final)
  最终类不能再被其他类继承，因此提供了一种绝对的安全性。

  public final class Circle extends Shape {
      private double radius;
  
      public Circle(double radius) {
          this.radius = radius;
      }
  
      public double getRadius() {
          return radius;
      }
  }
  

• 密封类 (sealed)
  这里的 Rectangle 类仍然是密封的，并且进一步限定了其直接子类。

  public sealed class Rectangle extends Shape permits RoundedRect {
      private double width;
      private double height;
  
      public Rectangle(double width, double height) {
          this.width = width;
          this.height = height;
      }
  
      public double getWidth() {
          return width;
      }
  
      public double getHeight() {
          return height;
      }
  }
  

• 非密封类 (non-sealed)
  非密封类打破了密封性，意味着它可以被任何类继承。

  public non-sealed class Square extends Shape {
      private double side;
  
      public Square(double side) {
          this.side = side;
      }
  
      public double getSide() {
          return side;
      }
  }
  

使用场景探讨

密封类非常适合用来表示有限但封闭的类型层次结构，比如表达式树、状态机的状态、数据类型的建模等。例如，在一个图形编辑器中，形状的种类是有限的，我们可以使用密封类来确保只有特定类型的形状能够被创建。

此外，密封类也适用于API设计，防止外部代码随意扩展你的API，确保API的行为可控；或者用于框架开发，为框架开发者提供一种限制实现方式的方法，使得框架更加安全和易于维护。

实际应用示例

假设我们正在构建一个图形编辑器，其中形状是有限的，我们可以使用密封类来确保只有特定类型的形状能够被创建。同时，利用密封类与模式匹配结合的优势，简化形状描述逻辑，保证代码的安全性和完整性。

// 定义密封类 Shape
public sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Square {}

// 定义最终类 Circle
public final class Circle extends Shape {
    private double radius;

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

    public double getRadius() {
        return radius;
    }
}

// 定义密封类 Rectangle
public sealed class Rectangle extends Shape permits RoundedRect {
    private double width;
    private double height;

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

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public double getHeight() {
        return height;
    }
}

// 定义非密封类 Square
public non-sealed class Square extends Shape {
    private double side;

    public Square(double side) {
        this.side = side;
    }

    public double getSide() {
        return side;
    }
}

// 定义 RoundedRect 类
public final class RoundedRect extends Rectangle {
    private double cornerRadius;

    public RoundedRect(double width, double height, double cornerRadius) {
        super(width, height);
        this.cornerRadius = cornerRadius;
    }

    public double getCornerRadius() {
        return cornerRadius;
    }
}

// 使用模式匹配来描述形状
public String describeShape(Shape shape) {
    return switch (shape) {
        case Circle c -> "A circle with radius " + c.getRadius();
        case Rectangle r -> "A rectangle with width " + r.getWidth() + " and height " + r.getHeight();
        case Square s -> "A square with side " + s.getSide();
        case RoundedRect rr -> "A rounded rectangle with width " + rr.getWidth() +
                               ", height " + rr.getHeight() +
                               ", and corner radius " + rr.getCornerRadius();
    };
}

在这个例子中，我们展示了如何使用密封类来创建一个封闭的形状层次结构，并通过模式匹配简化对这些形状的处理逻辑。这种方式不仅提高了代码的可读性和安全性，还增强了代码的可维护性。

与其他语言特性的结合使用

密封类与模式匹配的结合是一个强大的组合，特别是从Java 17开始支持的模式匹配特性。通过密封类，编译器可以验证 switch 表达式是否覆盖了所有可能的情况，如果未覆盖，则会给出编译错误。这有助于防止运行时错误，并确保代码的健壮性。

此外，密封类还可以与访问修饰符（如 private, protected, public）、泛型、注解等特性结合使用，以满足不同的设计需求。