Programming DSL: JMatchers

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软件设计是一个「守破离」的过程。 --袁英杰

回顾设计

上次在「软件匠艺小组」上分享了「正交设计」的基本理论，原则和应用，在活动线下收到了很多朋友的反馈。其中有人谈及到了DSL的设计，为此我将继续以find为例，通过「正交设计」的应用，重点讨论DSL的设计过程。

首先回顾一下之前find算子重构的成果。

public <E> Optional<E> find(Iterable<? extends E> c, Predicate<? super E> p) {
  for (E e : c)
    if (p.test(e))
      return Optional.of(e);
  return Optional.empty();
}

另外根据需求1~4，抽象了2个变化方向:

  • 比较运算：==, !=

  • 逻辑运算：&&, ||

比较语义

public interface Matcher<T> {
  boolean matches(T actual);
    
  static <T> Matcher<T> eq(T expected) {
    return actual -> expected.equals(actual);
  }
  
  static <T> Matcher<T> ne(T expected) {
    return actual -> !expected.equals(actual);
  }
}

查找年龄不等于18岁的学生，可以如此描述。

assertThat(find(students, age(ne(18))).isPresent(), is(true));

逻辑语义

public interface Predicate<E> {
  boolean test(E e);

  default Predicate<E> and(Predicate<? super E> other) {
    return e -> test(e) && other.test(e);
  }
  
  default Predicate<E> or(Predicate<? super E> other) {
    return e -> test(e) || other.test(e);
  }
}

查找名字叫horance的男生，可以表述为：

assertThat(find(students, name(eq("horance")).and(Human::male)).isPresent(), is(true));

探索前进

接下来继续通过需求的演进和迭代，完善既有的设计和实现。应用「正交设计」的基本原则，加深对DSL设计的理解。

引入工厂

public interface Matcher<T> {
  boolean matches(T actual);
    
  static <T> Matcher<T> eq(T expected) {
    return actual -> expected.equals(actual);
  }
  
  static <T> Matcher<T> ne(T expected) {
    return actual -> !expected.equals(actual);
  }
}

将所有的Static Factory方法都放在接口中，虽然简单，也很自然。但如果方法之间产生重复代码，需要「提取函数」，设计将变得非常不灵活，因为接口内所有方法都将默认为public，这往往不是我们所期望的，为此可以将这些Static Factory方法搬迁到Matchers实用类中去。

public final class Matchers {    
  public static <T> Matcher<T> eq(T expected) {
    return actual -> expected.equals(actual);
  }
  
  public static <T> Matcher<T> ne(T expected) {
    return actual -> !expected.equals(actual);
  }
  
  private Matchers() {
  }
}

实现大于

需求5： 查找年龄大于18岁的学生

assertThat(find(students, age(gt(18)).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {
  ......
  
  public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> gt(T expected) {
    return actual -> Ordering.<T>natural().compare(actual, expected) > 0;
  }
}

其中，natural代表了一种自然的比较规则。

public final class Ordering {
  public static <T extends Comparable<? super T>> Comparator<T> natural() {
    return (t1, t2) -> t1.compareTo(t2);
  }
}

实现小于

需求6： 查找年龄小于18岁的学生

assertThat(find(students, age(lt(18)).isPresent(), is(true));

依次类推，「小于」的规则实现如下：

public final class Matchers {
  ......
  
  public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> gt(T expected) {
    return actual -> Ordering.<T>natural().compare(actual, expected) > 0;
  }
  
  public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> lt(T expected) {
    return actual -> Ordering.<T>natural().compare(actual, expected) < 0;
  }
}

提取函数

设计产生了明显的重复，可以通过「提取函数」来消除重复。

public final class Matchers {
  ......
  
  public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> gt(T expected) {
    return actual -> compare(actual, expected) > 0;
  }
  
  public static <T extends Comparable<? super T>> Matcher<T> lt(T expected) {
    return actual -> compare(actual, expected) < 0;
  }
  
  private static <T extends Comparable<? super T>> int compare(T actual, T expected) {
    return Ordering.<T>natural().compare(actual, expected);
  }
}

其余比较操作，例如大于等于，小于等于的设计和实现依此类推，在此不再重述。

包含子串

需求7： 查找名字中包含horance的学生

assertThat(find(students, name(contains("horance")).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
  ......
  
  public static Matcher<String> contains(String substr) {
    return str -> str.contains(substr);
  }
}

子串开头

需求8： 查找名字以horance开头的学生

assertThat(find(students, name(starts("horance")).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
  ......
  
  public static Matcher<String> starts(String substr) {
    return str -> str.startsWith(substr);
  }
}

「子串结尾」的逻辑，可以设计ends的关键字，实现依此类推，在此不再重述。

不区分大小写

需求9： 查找名字以horance开头，但不区分大小写的学生

assertThat(find(students, name(starts_ignoring_case("horance")).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
  ......

  public static Matcher<String> starts(String substr) {
    return str -> str.startsWith(substr);
  }
  
  public static Matcher<String> starts_ignoring_case(String substr) {
    return str -> lower(str).startsWith(lower(substr));
  }

  private static String lower(String s) {
    return s.toLowerCase();
  }
}

starts与starts_ignoring_case之间存在微妙的重复设计，为此需要进一步消除重复。

组合式设计

assertThat(find(students, name(ignoring_case(Matchers::starts, "Horance"))).isPresent(), is(true));

运用函数的「组合式设计」，达到代码的最大可复用性。从OO的角度看，ignoring_case是对starts, ends, contains的功能增强，是一种典型的「修饰」关系。

public static Matcher<String> ignoring_case(
  Function<String, Matcher<String>> m, String substr) {
  return str -> m.apply(lower(substr)).matches(lower(str));
}

其中，Function<String, Matcher<String>>是一个一元函数，参数为String，返回值为Matcher<String>。

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
}

强迫用户

虽然ignoring_case的设计高度可复用性，可由用户根据实际情况，自由拼装组合各种算子。但「方法引用」的语法，给用户给造成了不必要的负担。

assertThat(find(students, name(ignoring_case(Matchers::starts, "Horance"))).isPresent(), is(true));

可以提供starts_ignoring_case的语法糖，将用户犯错的几率降至最低，但要保证实现不存在重复设计。

assertThat(find(students, name(starts_ignoring_case("Horance"))).isPresent(), is(true));

此时，ignoring_case也应该重构为private，变为一个「可重用」的函数。

public static Matcher<String> starts_ignoring_case(String substr) {
  return ignoring_case(Matchers::starts, substr);
}
 
private static Matcher<String> ignoring_case(
  Function<String, Matcher<String>> m, String substr) {
  return str -> m.apply(lower(substr)).matches(lower(str));
}

修饰语义

需求13： 查找名字中不包含horance的第一个学生

assertThat(find(students, name(not_contains("horance")).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
  ......
  
  public static Matcher<String> not_contains(String substr) {
    return str -> !str.contains(substr);
  }
}

在这之前，也曾遇到过类似的「反义」的操作。例如，查找年龄不等于18岁的学生，可以如此描述。

assertThat(find(students, age(ne(18))).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
  ......
  
  public static <T> Matcher<T> ne(T expected) {
    return actual -> !expected.equals(actual);
  }
}

两者对「反义」的描述存在两份不同的表示，是一种隐晦的「重复设计」，需要一种巧妙的设计消除重复。

提取反义

为此，应该删除not_contains, ne的关键字，并提供统一的not关键字。

assertThat(find(students, name(not(contains("horance")))).isPresent(), is(true));

not的实现是一种「修饰」的手法，对既有的Matcher功能的增强，巧妙地取得了「反义」功能。

public final class Matchers {    
  ......
  
  public static <T> Matcher<T> not(Matcher<T> matcher) {
    return actual -> !matcher.matches(actual);
  }
}

语法糖

对于not(eq(18))可以设计类似于not(18)的语法糖，使其更加简单。

assertThat(find(students, age(not(18))).isPresent(), is(true));

其实现就是对eq的一种修饰操作。

public final class Matchers {    
  ......
  
  public static <T> Matcher<T> not(T expected) {
    return not(eq(expected));
  }
}

逻辑或

需求13： 查找名字中包含horance，或者以liu结尾的学生

assertThat(find(students, name(anyof(contains("horance"), ends("liu")))).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
  ......
  
  @SafeVarargs
  public static <T> Matcher<T> anyof(Matcher<? super T>... matchers) {
    return actual -> {
      for (Matcher<? super T> matcher : matchers)
        if (matcher.matches(actual)) 
          return true;
      return false;
    };
  }
}

逻辑与

需求14： 查找名字中以horance开头，并且以liu结尾的学生

assertThat(find(students, name(allof(starts("horance"), ends("liu")))).isPresent(), is(true));
public final class Matchers {    
  ......
  
  @SafeVarargs
  public static <T> Matcher<T> allof(Matcher<? super T>... matchers) {
    return actual -> {
      for (Matcher<? super T> matcher : matchers)
        if (!matcher.matches(actual))
          return false;
      return true;
    };
  }
}

短路

allof与anyof之间的实现存在重复设计，可以通过提取函数消除重复。

public final class Matchers {    
  ......
  
  @SafeVarargs
  private static <T> Matcher<T> combine(
    boolean shortcut, Matcher<? super T>... matchers) {
    return actual -> {
      for (Matcher<? super T> matcher : matchers)
        if (matcher.matches(actual) == shortcut)
          return shortcut;
      return !shortcut;
    };
  }
  
  @SafeVarargs
  public static <T> Matcher<T> allof(Matcher<? super T>... matchers) {
    return combine(false, matchers);
  }
    
  @SafeVarargs
  public static <T> Matcher<T> anyof(Matcher<? super T>... matchers) {
    return combine(true, matchers);
  }
}

占位符

需求15： 查找算法始终失败或成功

assertThat(find(students, age(always(false))).isPresent(), is(false));
public final class Matchers {    
  ......
  
  public static <E> Matcher<E> always(boolean bool) {
    return e -> bool;
  }
}

回顾

通过15个需求的迭代和演进，通过运用「正交设计」和「组合式设计」的基本思想，得到了一套接口丰富、表达力极强的DSL。

这一套简单的DSL是一个高度可复用的Matcher集合，其设计既包含了OO的方法论，也涉及到了FP的思维，整体性设计保持高度的一致性和统一性。

鸣谢

「正交设计」的理论、原则、及其方法论出自前ThoughtWorks软件大师「袁英杰」先生。英杰既是我的老师，也是我的挚友；其高深莫测的软件设计的修为，及其对软件设计独特的哲学思维方式，是我等后辈学习的楷模。


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