Scala中Traits功能是什么

这篇文章主要介绍Scala中Traits功能是什么，文中介绍的非常详细，具有一定的参考价值，感兴趣的小伙伴们一定要看完！

Traits 介绍

在我们深入面向对象编程之前，我们还需要了解Scala 一个特性：Traits。要了解这个功能需要一点历史知识。

在Java 中，一个类可以实现任意数量的接口。这个模型在声明一个类实现多个抽象的时候非常有用。不幸的是，它也有一个主要缺点。

对于许多接口，大多数功能都可以用对于所有使用这个接口的类都有效的“样板”代码来实现。Java 没有提供一个内置机制来定义和使用这些可重用代码。相反的，Java 程序员必须使用一个特别的转换来重用一个已知接口的实现。在最坏的情况下，程序员必须复制粘贴同样的代码到不同的类中去。

通常，一个接口的实现拥有和该实例的其它成员无关（正交）的成员。术语mixin （混合）通常被用来指实例中这些专注的，潜在可被重用的，并且可以独立维护的代码。

来看一下下面这个图形用户接口的按钮的代码，它对单击事件使用了回调。

// code-examples/Traits/ui/button-callbacks.scala  package ui  class ButtonWithCallbacks(val label: String,      val clickedCallbacks: List[() => Unit]) extends Widget {     require(clickedCallbacks != null, "Callback list can't be null!")     def this(label: String, clickedCallback: () => Unit) =      this(label, List(clickedCallback))     def this(label: String) = {      this(label, Nil)      println("Warning: button has no click callbacks!")    }     def click() = {      // ... logic to give the appearance of clicking a physical button ...      clickedCallbacks.foreach(f => f())    }  }

这里发生了很多事情。主构造函数接受一个label（标签）参数和一个callbacks（回调）的list（列表），这些回调函数会在按钮的click 方法被调用时被调用。我们会在《第5章 – Scala 基础面向对象编程》中来探索这个类的更多细节。现在，我们希望专注在一个特别的问题上。ButtonWithCallbacks 不仅处理按钮的一些本质行为（比如单击），它同时还通过调用回调函数处理单击事件的通知。这违反了单职原则[Martin2003]，这是分隔职能的一种设计方法。我们可以把按钮类的逻辑从回调逻辑中分离出来，这样每一个逻辑组件变得更加简单，更模块化，更可重用化。这个回调逻辑就是mixin 的一个不错例子。

这样的分离在Java 中很难做，即使我们定义了具有回调行为的接口，我们仍然需要在类中集成实现代码，降低模块性。唯一的其它方法则是使用特定的工具比如面向方面编程（Aspect-Oriented Programming，AOP，参见[AOSD]），一个实现是AspectJ，Java 的一个扩展。AOP 主要被设计用来分离在应用程序中重复出现的普遍问题的实现。它设法模块化这些关键点，但是也允许设计良好的和其它关键点行为的“混合”，包括应用程序的核心域逻辑，不管是在编译时还是运行时。

作为混合体的Traits

Scala 提供了完整的混合（mixin）解决方案，称为Traits。在我们的例子里，我们可以定义回调的抽象为一个Trait，就像一个Java 接口一样，但是我们可以实现这些Trait （或者继承的Trait）的抽象。我们可以定义混合了Trait 的类，大致上很像实现Java 的一个接口。不过，在Scala 你甚至可以在我们创建实例的时候混合Traits。也就是说，我们不必首先声明一个混合了所有我们所需要的Trait 的类。所以，Scala Traits 在保留分离关键点的同时给了我们按需整合行为的能力。

如果你来自于Java 编程世界，你可以认为Traits 是有选择地实现了的接口。其它语言提供了类似Trait 的结构，比如Ruby 中的模块（modules）。

让我们对按钮的逻辑来使用Trait，从而分离回调的处理。我们会推广一下我们的实现。回调其实是观察者模式[GOF1995] 的一个特例。所以，让我们创建一个Trait 来实现这个模式，然后用它来处理回调行为。为了简单化，我们从一个单独的计算按钮被按次数的回调开始。

首先，让我们定义一个简单的Button 类。

// code-examples/Traits/ui/button.scala  package ui  class Button(val label: String) extends Widget {    def click() = {      // Logic to give the appearance of clicking a button...    }  }

这里是它的父类，Widget。

// code-examples/Traits/ui/widget.scala  package ui  abstract class Widget

管理回调的逻辑（比如，clickedCallbacks 列表）被省略了，两个主要构造函数也是。只有按钮的label 字段和click 方法被保留了下来。这个click 方法现在只关心一个“物理上的” 按钮被单击时候的可见表现。按钮只有一个关心的东西，就是处理作为一个按钮的本质行为。

这里是一个实现了观察者模式逻辑的Trait。

// code-examples/Traits/observer/observer.scala  package observer  Trait Subject {    type Observer = { def receiveUpdate(subject: Any) }    private var observers = List[Observer]()    def addObserver(observer:Observer) = observers ::= observer   def notifyObservers = observers foreach (_.receiveUpdate(this))  }

除了Trait 关键字，Subject 看起来就像一个普通的类。Subject 定义了所有它声明的成员。Traits 可以声明抽象成员，具体成员，或者两者皆有，就像类所能做的一样（参见《第6章 – Scala 高级面向对象编程》的“重写类和Traits 的成员”章节获取更多信息）。而且，Traits 能包含嵌套的Trait 和类定义，类也能包含嵌套的Trait 定义。

第一行定义了Observer 类型。这是一个结构类型，形式是 { def receiveUpdate(subject:Any) }。结构类型仅制定了子类型必须支持的结构；你可以把它们看作是“匿名”类型。

在这个例子里，这个结构类型由一个有着特定签名的方法定义。任何有这个签名的方法的类型都可以被用作为一个observer（观察者）。我们会在《第12章 – Scala 类型系统》学习更多有关结构类型的内容。如果你想知道为什么我们不把Subject 作为参数，而是Any。我们会在《第13章 – 应用程序设计》的“自我类型注解和抽象类型成员”章节来重习这个问题。

我们所需要注意的最主要的是这样的结构类型如何最小化了Subject Trait 和任何潜在的Trait 用户之间的耦合。

注意

Subject 仍然通过结构类型和Observer 中的方法名称耦合在一起，例如，名为receiveUpdate 的方法。我们有几种方法来省去这剩下的耦合。我们会在《第6章 – Scala 高级面向对象编程》中的“重写抽象类型”章节看到如何做到这一点。

下面，我们声明了一系列观察者。我们定义了一个var，而不是val，因为List 是不可变的。所以我们必须在一个观察者通过addObserver 方法被添加时创建一个新的列表。

我们会在《第7章 – Scala 对象系统》的“Scala 类型结构”章节和《第8章 – Scala 函数式编程》中讨论更多有关List 的细节。现在，注意addObserver 使用了列表的cons “操作符”方法（::）来在一个列表前面加入一个观察者。Scala 编译器会聪明地把下面的语句，

observers ::= observer

转换成如下语句，

observerobservers = observer :: observers

注意我们写了observer:: observers，把已存的observers 列表放到了右边。回忆一下，所有的以: 结尾的方法是右绑定的。所以，前一个语句和下面的语句等价。

observersobservers = observers.::(observer)

notifyObservers 方法遍历所有的观察者，使用foreach 方法，然后对每一个观察者调用receiveUpdate 方法。（注意我们使用了“插入”操作符标记法而不是observers.foreach。）我们使用占位符'_' 来缩短下面的表达式，

(obs) => obs.receiveUpdate(this)

为这样的表达式，

_.receiveUpdate(this)

这个表达式实际上是一个“匿名函数”的函数体，在Scala 中称为字面函数。这和其它语言中的Lambda 表达式或类似结构相似。字面函数和闭包相关的概念会在《第8章 – Scala 函数式编程》的“字面函数和闭包”章节中被讨论。

在Java 中，foreach 方法很可能会接受一个接口，你可能会传递一个实现了该接口的类的实例。（比如，典型的Comparable 使用的方法）。

在Scala 中，List[A].foreach 方法期待的参数类型为(A)=>Unit，这是一个函数，接受一个A 类型的参数，而A 标识了列表的元素的类型（在这个例子中是Observer），然后返回Unit（和Java 的void 一样）。

注意

我们在这个例子里选择使用一个var 来表示不可变的观察者的List。我们也可以使用val 和一个可变的类型，比如ListBuffer。这个选择会在一个真实的应用程序中显得更加合理，但是我们希望避免介绍新的类来分散我们的注意。

再一次的，我们从一个小例子里学习了许多Scala 的知识。现在，让我们来用一用我们的Subject Trait。这里有一个ObservableButton，它继承了Button，混合了Subject。

// code-examples/Traits/ui/observable-button.scala  package ui  import observer._  class ObservableButton(name: String) extends Button(name) with Subject {    override def click() = {      super.click()      notifyObservers    }  }

我们从导入observer 包的所有东西开始，使用'_' 通配符。实际上，我们在这个包中只定义了Subject Trait。

新的类使用了with 关键字把Subject Trait 加到类中。ObserverButton 重写了click 方法。使用super 关键字（参见《第6章 – Scala 高级面向对象编程》的“重写抽象和具体方法”章节），它首先调用了“父类”的方法，Button.click，然后它通知观察者。因为新的click 方法重写了Button 的具体实现，必须加上override 关键字。

with 关键字和Java 的对接口使用的implement 关键字类似。你可以是顶任意多的Traits，每一个都必须有with 关键字。

一个类可以继承一个Trait，一个Trait 也可以继承一个类。实际上，我们的Widget 类也可以被声明为一个Trait。

注意

如果你定义一个类使用一个或多个Traits，而它又不继承任何类，你必须对第一个列出的Trait 使用extends 关键字。

如果你不对第一个Trait 使用extends，例如写成这样。

// ERROR:  class ObservableButton(name: String) with Button(name) with Subject {...}

你会获得如下错误。

... error: ';' expected but 'with' found.         class ObservableButton(name: String) with Button(name) with Subject {...}                                              ^

这个错误实际上应该说“with found，but extends expected。”（发现with 关键字，但是期望一个extends。）

要演示这部分代码，让我们从一个观察按钮点击和记录点击数目的类开始。

// code-examples/Traits/ui/button-count-observer.scala  package ui  import observer._  class ButtonCountObserver {    var count = 0   def receiveUpdate(subject: Any) = count += 1  }

左后，让我们写一个测试来运用所有的类。我们会使用Specs 库（在《第14章 – Scala 工具，库和IDE 支持》的“Specs” 章节讨论） 来写一个行为驱动（【BDD】）的“规范”来测试组合后的Button 和Subject 类型。

// code-examples/Traits/ui/button-observer-spec.scala  package ui  import org.specs._  import observer._  object ButtonObserverSpec extends Specification {    "A Button Observer" should {      "observe button clicks" in {        val observableButton = new ObservableButton("Okay")        val buttonObserver = new ButtonCountObserver        observableButton.addObserver(buttonObserver)        for (i <- 1 to 3) observableButton.click()        buttonObserver.count mustEqual 3      }    }  }

如果你从O'Reilly 网站下载了代码例子，你可以按照README 文件的指示来编译和运行这个章节的例子。specs “目标”的输出应该包含如下的内容。

Specification "ButtonCountObserverSpec"    A Button Observer should    + observe button clicks  Total for specification "ButtonCountObserverSpec":  Finished in 0 second, 10 ms  1 example, 1 expectation, 0 failure, 0 error

注意字符串“A Button Observer Should”和“observe button clicks” 对应了例子中的字符串。Specs 的输出提供了一个漂亮的被测试的项目的需求，并假设为这些字符串做了合适的决定。

测试的主题创建了一个“Okay” ObservableButton 和一个ButtonCountObserver，把观察者给了这个button。按钮通过for 循环被按了3次。最后一行要求observer 的计数等于3。如果你习惯使用XUnit 风格的TDD （测试驱动开发）工具，例如JUnit 或者ScalaTest（参见《第14章 – Scala 工具，库和IDE 支持》的“ScalaTest” 章节），那么最后一行等效于下面的JUnit 断言。

assertEquals(3, buttonObserver.count)

注意

Specs 库（参见“Specs” 章节） 和ScalaTest 库（参见“ScalaTest”章节）都支持行为驱动开发[BDD]，测试驱动开发[TDD] 的一种风格，强调了测试的“规范”角色。

假设我们只需要一个ObservableButton 实例呢？我们实际上不用声明一个继承Subject 的Button 的子类。我们可以在创建实例的时候加上Trait。

下一个例子展示了一个修订的Specs 文件，它实例化了一个Button，混合了Subject 作为声明的一部分。

// code-examples/Traits/ui/button-observer-anon-spec.scala  package ui  import org.specs._  import observer._  object ButtonObserverAnonSpec extends Specification {    "A Button Observer" should {      "observe button clicks" in {        val observableButton = new Button("Okay") with Subject {          override def click() = {            super.click()            notifyObservers          }        }        val buttonObserver = new ButtonCountObserver        observableButton.addObserver(buttonObserver)        for (i <- 1 to 3) observableButton.click()        buttonObserver.count mustEqual 3      }    }  }

修订过的observableButton 的声明实际上创建了一个匿名类，并且像之前那样重写了click 方法。和在Java 中创建匿名类的主要区别是我们可以在过程中引入Trait。Java 不允许你在实例化一个类的时候实现一个新的接口。

最后，注意一个实例的继承结构会因为混合了继承自其它Traits 的Traits 而变得复杂。我们会在《第7章 – Scala 对象系统》的“对象层次结构的线性化”章节来讨论这些层次结构的细节。

可堆叠Traits

我们可以通过一系列精炼来提高我们工作的可重用性，使得我们可以更容易地同时使用一个以上的Trait，例如，“堆叠”它们。

首先，让我们来引入一个新的Trait，Clickable，一个任意构件响应点击事件的抽象。

// code-examples/Traits/ui2/clickable.scala  package ui2  Trait Clickable {    def click()  }

注意

我们由一个新的包，ui2 开始，这样我们可以更容易的区分开下载下来的新旧代码。

Clickable Trait 看上去就像一个Java 接口；它是完全抽象的。它定义了一个单独的抽象的方法，click。因为它没有函数体，所以称之为抽象。如果Clickable 是一个类的话，我们则应该在class 关键字前面加上abstract 关键字。但是这对于Trait 来说不是必须的。

这里是重构过的按钮类，使用了这个Trait。

// code-examples/Traits/ui2/button.scala  package ui2  import ui.Widget  class Button(val label: String) extends Widget with Clickable {    def click() = {      // Logic to give the appearance of clicking a button...    }  }

这段代码就像Java 实现一个Clickable 接口一样。

当我们在前面定义ObservableButton 的时候（在“混合Traits”章节），我们重写了Button.click 来通知观察者。而我们在声明observableButton 为一个按钮实例的时候，我们直接混合了Subject Trait，它重复了ButtonObserverAnonSpec 的逻辑。让我们来消除这个重复。

当我们开始用这种方式重构代码的时候，我们意识到我们实际上不关心“观察”按钮；我们关心的是“观察”点击。这里是一个单一的专注于观察点击的Trait。

// code-examples/Traits/ui2/observable-clicks.scala  package ui2  import observer._  Trait ObservableClicks extends Clickable with Subject {    abstract override def click() = {      super.click()      notifyObservers    }  }

ObservableClick Trait 继承自Clickable，并且混合了Subject。然后它重写了click 方法，像在“混合Traits”章节重写的方法几乎一样的实现。最重要的区别就是abstract 关键字。

仔细看这个方法。它调用了super.click()，但是这里super 是什么意思？在这里，它看上去只能是声明了但是没有定义click 方法的Clickable，或者Subject，它并没有click 方法。所以，super 的身份还不一定，至少现在还不一定。

实际上，super 会在这个Trait 混入一个定义了具体click 方法的实例的时候被绑定。这样，我们需要在ObservableClicks.click 前加上abstract 关键字来告诉编译器（或者读者）click 还没有被完全实现，即使ObservableClicks.click 有一个函数体。

注意

除了声明抽象类，abstract 关键字只在Trait 的方法有函数体，但是调用了在父类没有具体实现的super 的方法的时候需要。

让我们在Specs 测试中和Button 类以及它的具体click 方法一起使用这个Trait。

// code-examples/Traits/ui2/button-clickable-observer-spec.scala  package ui2  import org.specs._  import observer._  import ui.ButtonCountObserver  object ButtonClickableObserverSpec extends Specification {    "A Button Observer" should {      "observe button clicks" in {        val observableButton = new Button("Okay") with ObservableClicks        val buttonClickCountObserver = new ButtonCountObserver        observableButton.addObserver(buttonClickCountObserver)        for (i <- 1 to 3) observableButton.click()        buttonClickCountObserver.count mustEqual 3      }    }  }

把这段代码和ButtonObserverAnonSpec 比较。我们初始化了一个Button，混入ObservableClicks Trait，但是这次我们不需要重写click 方法。所以，这个Button 的使用者不用惦记着重写一个合适的click。这部分工作已经由ObservableClicks 完成。想要的行为在我们需要的时候被声明性地组合到代码里去。

让我们再来加入一个Trait。JavaBeans 规范[JavaBeanSpec] 有“可否决”事件的概念，是说JavaBean 修改的监听者可以否决修改。让我们来用Trait 来实现一个类似的机制，用来否决一系列的点击。

// code-examples/Traits/ui2/vetoable-clicks.scala  package ui2  import observer._  Trait VetoableClicks extends Clickable {    val maxAllowed = 1  // default    private var count = 0   abstract override def click() = {      if (count < maxAllowed) {        count += 1        super.click()      }    }  }

再一次，我们重写了click 方法。和以前一样，必须声明这个重写是抽象的。允许点击的数目默认值是1。你可能想知道这里的默认是什么？这个字段不是被声明为val 吗？ 我们没有声明构造函数用其它值来初始化它。我们会在《第6章 – Scala 高级面向对象编程》的”重写类和Traits 的成员“ 重温这个问题。

这个Trait 还声明了一个count 变量来记录我们观察到的点击。它被定义为private （私有的），所以它对于Trait 外部的域来说是不可见的（参见《第5章 – Scala 基础面向对象编程》的”可见域规则“）。被重写的click 方法会增加count。它只在count 小于等于maxAllowed 数目的时候调用super.click()。

这里是展示ObservableClicks 和VetoableClicks 一起工作的Specs 对象。注意每一个Trait 都需要一个单独的with 关键字，和Java 对于implements 指令只要一个关键字和用逗号隔开名称的实现方式不一样。

// code-examples/Traits/ui2/button-clickable-observer-vetoable-spec.scala  package ui2  import org.specs._  import observer._  import ui.ButtonCountObserver  object ButtonClickableObserverVetoableSpec extends Specification {    "A Button Observer with Vetoable Clicks" should {      "observe only the first button click" in {        val observableButton =            new Button("Okay") with ObservableClicks with VetoableClicks        val buttonClickCountObserver = new ButtonCountObserver        observableButton.addObserver(buttonClickCountObserver)        for (i <- 1 to 3) observableButton.click()        buttonClickCountObserver.count mustEqual 1      }    }  }

观察者的计数应该是1。observableButton 有下面的语句声明，

new Button("Okay") with ObservableClicks with VetoableClicks

我们可以推断VetoableClicks 重写的click 在ObservableClicks 重写的click 之前被调用。大概地讲，因为我们的匿名类没有定义自己的click，所以这个方法会按照声明从右到左开始寻找。实际上比这个更复杂，我们会在《第7章 – Scala 对象系统》的”对象结构的线性化“ 章节讨论。

同时，如果我们把使用Trait 的顺序反过来会发生什么呢？

// code-examples/Traits/ui2/button-vetoable-clickable-observer-spec.scala  package ui2  import org.specs._  import observer._  import ui.ButtonCountObserver  object ButtonVetoableClickableObserverSpec extends Specification {    "A Vetoable Button with Click Observer" should {      "observe all the button clicks, even when some are vetoed" in {        val observableButton =            new Button("Okay") with VetoableClicks with ObservableClicks        val buttonClickCountObserver = new ButtonCountObserver        observableButton.addObserver(buttonClickCountObserver)        for (i <- 1 to 3) observableButton.click()        buttonClickCountObserver.count mustEqual 3      }    }  }

现在观察者的计数应该是3。ObservableClicks 现在比VetoableClicks 拥有更高的优先级，所以点击的计数会增加，即使有些点击在接下来的动作中被否决！

所以，为了防止Trait 之间互相影响导致不可预料的后果，声明的顺序很重要。也许另外一个教训是，把对象分拆成太多细密的Traits 可能会值得你代码的执行变得复杂费解。

把你的程序分割成小的，个所有长的Trait 是个创建可重用，可伸缩的抽象和”组件“的强大方式。复杂的行为可以通过声明Trait 的组合来完成。我们会在《第13章 – 应用程序设计》的“可伸缩的抽象”中更多地探索这个概念。

构造Traits

Traits 不支持辅助构造函数，它们也不支持在主构造函数，Trait 的主体里的参数列表。Traits 可以继承类或者其它Trait。然而，因为它们不能给父类的构造函数传递参数（哪怕是字面值），所以Traits 只能继承有无参数的主/副构造函数的类。

然而，不像类，Trait 的主体在每次使用Trait 创建一个实例的时候都会被执行，正如下面的脚本所演示。

// code-examples/Traits/Trait-construction-script.scala  Trait T1 {    println( "  in T1: x = " + x )    val x=1   println( "  in T1: x = " + x )  }  Trait T2 {    println( "  in T2: y = " + y )    val y="T2"   println( "  in T2: y = " + y )  }  class Base12 {    println( "  in Base12: b = " + b )    val b="Base12"   println( "  in Base12: b = " + b )  }  class C12 extends Base12 with T1 with T2 {    println( "  in C12: c = " + c )    val c="C12"   println( "  in C12: c = " + c )  }  println( "Creating C12:" )  new C12println( "After Creating C12" )

用scala 命令运行这段脚本会得到以下输出。

Creating C12:    in Base12: b = null   in Base12: b = Base12   in T1: x = 0   in T1: x = 1   in T2: y = null   in T2: y = T2   in C12: c = null   in C12: c = C12 After Creating C12

注意类和Trait 构造函数的调用顺序。因为C12 的声明继承自Base12 with T1 with T2，这个类结构的构造顺序是从左到右的，从基类Base12 开始，接着是Traits T1 和T2，最后是C12 的构造主体。（对于构造任意复杂的结构，参见《第7章 – Scala 对象系统》的“对象结构的线性化”章节。）

所以，虽然你不能传递构造参数给Trait，你可以用默认值初始化字段，或让它们继续抽象。我们实际上在前面的Subject Trait 中见过， Subject.observers 字段被初始化为一个空列表。

如果Trait 的一个具体字段没有合适的默认值，那么就没有一个“万无一失”的方式来初始化这个值了。所有的其它方法都需要这个Trait 的用户的一些特别步骤，这很容易发生错误，因为他们可能会做错甚至忘记去做。也许这个字段应该继续作为抽象字段，这样类和其它Trait 使用它的时候会被强制定义一个合适的值。我们会在《第6章 – Scala 高级面向对象编程》中详细讨论重写抽象和具体成员。

另外一个解决方案是把这个字段转移到一个单独的类中，这样构造过程可以保证用户可以提供正确的初始化数据。这样也许应该说这整个Trait 实际上应该是一个类，这样你才能定义一个构造函数来初始化这个字段。

类还是Trait？

当我们考虑是否一个“概念”应该成为一个Trait 或者一个类的时候，记住作为混入的Trait 对于“附属”行为来说最有意义。如果你发现某一个Trait 经常作为其它类的父类来用，导致子类会有像父Trait 那样的行为，那么考虑把它定义为一个类吧，让这段逻辑关系更加清晰。（我们说像。。。的行为，而不是是。。。，因为前者是继承更精确的定义，基于Liskov Substitution Principle — 例如参见 [Martin2003]。）

提示

在Trait 里避免不能用合适的默认值初始化的具体字段。使用抽象字段，或者把这个Trait 转换成一个有构造函数的类。当然，无状态Trait 没有初始化的问题。

一个实例应该从构造过程结束开始，永远都在一个已知的有效的状态下，这是优秀的面向对象设计的基本原则。

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