當(dāng)前位置：如果現(xiàn)在要求對你寫的Java代碼進(jìn)行優(yōu)化，那你會怎么做呢？作者在本文介紹了可以提高系統(tǒng)性能以及代碼可讀性的四種方法，如果你對此感興趣，就讓我們一起來看看吧。
我們平時的編程任務(wù)不外乎就是將相同的技術(shù)套件應(yīng)用到不同的項(xiàng)目中去，對于大多數(shù)情況來說，這些技術(shù)都是可以滿足目標(biāo)的。然而，有的項(xiàng)目可能需要用到一些特別的技術(shù)，因此工程師們得深入研究，去尋找那些簡單但有效的方法。在以前一篇文章中，我們討論了必要時可以使用的四種特殊技術(shù)，這些特殊技術(shù)可以創(chuàng)建更好的Java軟件；而本文我們將介紹一些有助于解決常見問題的通用設(shè)計(jì)策略和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，即：
只做有目的性的優(yōu)化
常量盡量使用枚舉
重新定義類里面的equals()方法
盡量多使用多態(tài)性
值得注意的是，本文中描述的技術(shù)并不是適用于所有情況。另外這些技術(shù)應(yīng)該什么時候使用以及在什么地方使用，都是需要使用者經(jīng)過深思熟慮的。
1 .只做有目的性的優(yōu)化
大型軟件系統(tǒng)肯定非常關(guān)注性能問題。雖然我們希望能夠?qū)懗龈咝У拇a，但很多時候，如果想對代碼進(jìn)行優(yōu)化，我們卻無從下手。例如，下面的這段代碼會影響到性能嗎?
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public void processIntegers(List<Integer> integers) { for (Integer value: integers) { for (int i = integers.size() - 1; i >= 0; i--) { value += integers.get(i); } }} |
這就得視情況而定了。上面這段代碼可以看出它的處理算法是O(n³)(使用大O符號)，其中n是list集合的大小。如果n只有5，那么就不會有問題，只會執(zhí)行25次迭代。但如果n是10萬，那可能會影響性能了。請注意，即使這樣我們也不能判定肯定會有問題。盡管此方法需要執(zhí)行10億次邏輯迭代，但會不會對性能產(chǎn)生影響仍然有待討論。
例如，假設(shè)客戶端是在它自己的線程中執(zhí)行這段代碼，并且異步等待計(jì)算完成，那么它的執(zhí)行時間有可能是可以接受的。同樣，如果系統(tǒng)部署在了生產(chǎn)環(huán)境上，但是沒有客戶端進(jìn)行調(diào)用，那我們根本沒必要去對這段代碼進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)閴焊筒粫南到y(tǒng)的整體性能。事實(shí)上，優(yōu)化性能以后系統(tǒng)會變得更加復(fù)雜，悲劇的是系統(tǒng)的性能卻沒有因此而提高。
重要的是天下沒有mf的午餐，因此為了降低代價(jià)，我們通常會通過類似于緩存、循環(huán)展開或預(yù)計(jì)算值這類技術(shù)去實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，這樣反而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也降低了代碼的可讀性。如果這種優(yōu)化可以提高系統(tǒng)的性能，那么即使變得復(fù)雜，那也是值得的，但是做決定之前，必須首先知道這兩條信息：
性能要求是什么
性能瓶頸在哪里
首先我們需要清楚地知道性能要求是什么。如果終是在要求以內(nèi)，并且終用戶也沒有提出什么異議，那么就沒有必要進(jìn)行性能優(yōu)化。但是，當(dāng)添加了新功能或者系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量達(dá)到一定規(guī)模以后就必須進(jìn)行優(yōu)化了，否則可能會出現(xiàn)問題。
在這種情況下，不應(yīng)該靠直覺，也不應(yīng)該依靠檢查。因?yàn)榧词故窍馦artin Fowler這樣有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員也容易做一些錯誤的優(yōu)化，正如在重構(gòu)(第70頁)一文中解釋的那樣：
如果分析了足夠多的程序以后，你會發(fā)現(xiàn)關(guān)于性能的有趣之處在于，大部分時間都浪費(fèi)在了系統(tǒng)中的一小部分代碼中里面。如果對所有代碼進(jìn)行了同樣的優(yōu)化，那么終結(jié)果就是浪費(fèi)了90%的優(yōu)化，因?yàn)閮?yōu)化過以后的代碼運(yùn)行得頻率并不多。因?yàn)闆]有目標(biāo)而做的優(yōu)化所耗費(fèi)的時間，都是在浪費(fèi)時間。
作為一名身經(jīng)百戰(zhàn)的開發(fā)人員，我們應(yīng)該認(rèn)真對待這一觀點(diǎn)。第一次猜測不僅沒有提高系統(tǒng)的性能，而且90%的開發(fā)時間完全是浪費(fèi)了。相反，我們應(yīng)該在生產(chǎn)環(huán)境(或者預(yù)生產(chǎn)環(huán)境中)執(zhí)行常見用例，并找出在執(zhí)行過程中是哪部分在消耗系統(tǒng)資源，然后對系統(tǒng)進(jìn)行配置。例如消耗大部分資源的代碼只占了10%，那么優(yōu)化其余90%的代碼就是浪費(fèi)時間。
根據(jù)分析結(jié)果，要想使用這些知識，我們應(yīng)該從常見的情況入手。因?yàn)檫@將確保實(shí)際付出的努力終是可以提高系統(tǒng)的性能。每次優(yōu)化后，都應(yīng)該重復(fù)分析步驟。因?yàn)檫@不僅可以確保系統(tǒng)的性能真的得到了改善，也可以看出再對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，性能瓶頸是在哪個部分(因?yàn)榻鉀Q完一個瓶頸以后,其它瓶頸可能消耗系統(tǒng)更多的整體資源)。需要注意的是，在現(xiàn)有瓶頸中花費(fèi)的時間百分比很可能會增加，因?yàn)槭Ｏ碌钠款i是暫時不變的，而且隨著目標(biāo)瓶頸的消除，整個執(zhí)行時間應(yīng)該會減少。
盡管在Java系統(tǒng)中想要對概要文件進(jìn)行全面檢查需要很大的容量，但是還是有一些很常見的工具可以幫助發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的性能熱點(diǎn)，這些工具包括JMeter、AppDynamics和YourKit。另外，還可以參見DZone的性能監(jiān)測指南，獲取更多關(guān)于Java程序性能優(yōu)化的信息。
雖然性能是許多大型軟件系統(tǒng)一個非常重要的組成部分，也成為產(chǎn)品交付管道中自動化測試套件的一部分，但是還是不能夠盲目的且沒有目的的進(jìn)行優(yōu)化。相反，應(yīng)該對已經(jīng)掌握的性能瓶頸進(jìn)行特定的優(yōu)化。這不僅可以幫助我們避免增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且還讓我們少走彎路，不去做那些浪費(fèi)時間的優(yōu)化。
2.常量盡量使用枚舉
需要用戶列出一組預(yù)定義或常量值的場景有很多，例如在web應(yīng)用程序中可能遇到的HTTP響應(yīng)代碼。常見的實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一是新建類，該類里面有很多靜態(tài)的final類型的值，每個值都應(yīng)該有一句注釋，描述該值的含義是什么:
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public class HttpResponseCodes { public static final int OK = 200; public static final int NOT_FOUND = 404; public static final int FORBIDDEN = 403;}if (getHttpResponse().getStatusCode() == HttpResponseCodes.OK) { // Do something if the response code is OK } |
能夠有這種思路就已經(jīng)非常好了，但這還是有一些缺點(diǎn)：
沒有對傳入的整數(shù)值進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)
由于是基本數(shù)據(jù)類型，因此不能調(diào)用狀態(tài)代碼上的方法
在第一種情況下只是簡單的創(chuàng)建了一個特定的常量來表示特殊的整數(shù)值，但并沒有對方法或變量進(jìn)行限制，因此使用的值可能會超出定義的范圍。例如:
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public class HttpResponseHandler { public static void printMessage(int statusCode) { System.out.println("Recieved status of " + statusCode); }}HttpResponseHandler.printMessage(15000); |
盡管15000并不是有效的HTTP響應(yīng)代碼，但是由于服務(wù)器端也沒有限制客戶端必須提供有效的整數(shù)。在第二種情況下，我們沒有辦法為狀態(tài)代碼定義方法。例如，如果想要檢查給定的狀態(tài)代碼是否是一個成功的代碼，那就必須定義一個單獨(dú)的函數(shù):
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public class HttpResponseCodes { public static final int OK = 200; public static final int NOT_FOUND = 404; public static final int FORBIDDEN = 403; public static boolean isSuccess(int statusCode) { return statusCode >= 200 && statusCode < 300; }}if (HttpResponseCodes.isSuccess(getHttpResponse().getStatusCode())) { // Do something if the response code is a success code } |
為了解決這些問題，我們需要將常量類型從基本數(shù)據(jù)類型改為自定義類型，并只允許自定義類的特定對象。這正是Java枚舉(enum)的用途。使用enum，我們可以一次性解決這兩個問題:
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public enum HttpResponseCodes { OK(200), FORBIDDEN(403), NOT_FOUND(404); private final int code; HttpResponseCodes(int code) { this.code = code; } public int getCode() { return code; } public boolean isSuccess() { return code >= 200 && code < 300; }}if (getHttpResponse().getStatusCode().isSuccess()) { // Do something if the response code is a success code } |
同樣，現(xiàn)在還可以要求在調(diào)用方法的時候提供必須有效的狀態(tài)代碼：
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public class HttpResponseHandler { public static void printMessage(HttpResponseCode statusCode) { System.out.println("Recieved status of " + statusCode.getCode()); }}HttpResponseHandler.printMessage(HttpResponseCode.OK); |
值得注意的是，舉這個例子事項(xiàng)說明如果是常量，則應(yīng)該盡量使用枚舉，但并不是說什么情況下都應(yīng)該使用枚舉。在某些情況下，可能希望使用一個常量來表示某個特殊值，但是也允許提供其它的值。例如，大家可能都知道圓周率，我們可以用一個常量來捕獲這個值(并重用它):
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public class NumericConstants { public static final double PI = 3.14; public static final double UNIT_CIRCLE_AREA = PI * PI;}public class Rug { private final double area; public class Run(double area) { this.area = area; } public double getCost() { return area * 2; }}// Create a carpet that is 4 feet in diameter (radius of 2 feet)Rug fourFootRug = new Rug(2 * NumericConstants.UNIT_CIRCLE_AREA); |
因此，使用枚舉的規(guī)則可以歸納為:
當(dāng)所有可能的離散值都已經(jīng)提前知道了，那么就可以使用枚舉
再拿上文中所提到的HTTP響應(yīng)代碼為例，我們可能知道HTTP狀態(tài)代碼的所有值(可以在RFC 7231中找的到，它定義了HTTP 1.1協(xié)議)。因此使用了枚舉。在計(jì)算圓周率的情況下，我們不知道關(guān)于圓周率的所有可能值(任何可能的double都是有效的)，但同時又希望為圓形的rugs創(chuàng)建一個常量，使計(jì)算更容易(更容易閱讀);因此定義了一系列常量。
如果不能提前知道所有可能的值，但是又希望包含每個值的字段或方法，那么簡單的方法就是可以新建一個類來表示數(shù)據(jù)。盡管沒有說過什么場景應(yīng)該絕對不用枚舉，但要想知道在什么地方、什么時間不使用枚舉的關(guān)鍵是提前意識到所有的值，并且禁止使用其他任何值。
3.重新定義類里面的equals()方法
對象識別可能是一個很難解決的問題：如果兩個對象在內(nèi)存中占據(jù)相同的位置，那么它們是相同的嗎?如果它們的id相同，它們是相同的嗎?或者如果所有的字段都相等呢?雖然每個類都有自己的標(biāo)識邏輯，但是在系統(tǒng)中有很多西方都需要去判斷是否相等。例如，有如下的一個類，表示訂單購買…
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public class Purchase { private long id; public long getId() { return id; } public void setId(long id) { this.id = id; }} |
……就像下面寫的這樣，代碼中肯定有很多地方都是類似于的:
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Purchase originalPurchase = new Purchase();Purchase updatedPurchase = new Purchase();if (originalPurchase.getId() == updatedPurchase.getId()) { // Execute some logic for equal purchases } |
這些邏輯調(diào)用的越多(反過來，違背了DRY原則)，Purchase
類的身份信息也會變得越來越多。如果出于某種原因，更改了Purchase
類的身份邏輯(例如，更改了標(biāo)識符的類型)，則需要更新標(biāo)識邏輯所在的位置肯定也非常多。
我們應(yīng)該在類的內(nèi)部初始化這個邏輯，而不是通過系統(tǒng)將Purchase類的身份邏輯進(jìn)行過多的傳播。乍一看，我們可以創(chuàng)建一個新的方法，比如isSame，這個方法的入?yún)⑹且粋€Purchase對象，并對每個對象的id進(jìn)行比較，看看它們是否相同:
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public class Purchase { private long id; public boolean isSame(Purchase other) { return getId() == other.gerId(); }} |
雖然這是一個有效的解決方案，但是忽略了Java的內(nèi)置功能:使用equals方法。Java中的每個類都是繼承了Object類，雖然是隱式的，因此同樣也就繼承了equals方法。默認(rèn)情況下，此方法將檢查對象標(biāo)識(內(nèi)存中相同的對象)，如JDK中的對象類定義(version 1.8.0_131)中的以下代碼片段所示:
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public boolean equals(Object obj) {return (this == obj);} |
這個equals方法充當(dāng)了注入身份邏輯的自然位置(通過覆蓋默認(rèn)的equals實(shí)現(xiàn)):
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public class Purchase { private long id; public long getId() { return id; } public void setId(long id) { this.id = id; } @Override public boolean equals(Object other) { if (this == other) { return true; } else if (!(other instanceof Purchase)) { return false; } else { return ((Purchase) other).getId() == getId(); } }} |
雖然這個equals方法看起來很復(fù)雜，但由于equals方法只接受類型對象的參數(shù)，所以我們只需要考慮三個案例:
另一個對象是當(dāng)前對象(即originalPurchase.equals(originalPurchase))，根據(jù)定義，它們是同一個對象，因此返回true
另一個對象不是Purchase對象，在這種情況下，我們無法比較Purchase的id，因此，這兩個對象不相等
其他對象不是同一個對象，但卻是Purchase的實(shí)例,因此,是否相等取決于當(dāng)前Purchase的id和其他Purchase是否相等
現(xiàn)在可以重構(gòu)我們之前的條件，如下:
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Purchase originalPurchase = new Purchase();Purchase updatedPurchase = new Purchase();if (originalPurchase.equals(updatedPurchase)) { // Execute some logic for equal purchases } |
除了可以在系統(tǒng)中減少復(fù)制，重構(gòu)默認(rèn)的equals方法還有一些其它的優(yōu)勢。例如，如果構(gòu)造一個Purchase對象列表，并檢查列表是否包含具有相同ID(內(nèi)存中不同對象)的另一個Purchase對象，那么我們就會得到true值，因?yàn)檫@兩個值被認(rèn)為是相等的:
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List<Purchase> purchases = new ArrayList<>();purchases.add(originalPurchase);purchases.contains(updatedPurchase); // True |
通常，無論在什么地方，如果需要判斷兩個類是否相等，則只需要使用重寫過的equals方法就可以了。如果希望使用由于繼承了Object對象而隱式具有的equals方法去判斷相等性，我們還可以使用= =操作符，如下:
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if (originalPurchase == updatedPurchase) { // The two objects are the same objects in memory } |
還需要注意的是，當(dāng)equals方法被重寫以后，hashCode方法也應(yīng)該被重寫。有關(guān)這兩種方法之間關(guān)系的更多信息，以及如何正確定義hashCode
方法，請參見此線程。
正如我們所看到的，重寫equals方法不僅可以將身份邏輯在類的內(nèi)部進(jìn)行初始化，并在整個系統(tǒng)中減少了這種邏輯的擴(kuò)散，它還允許Java語言對類做出有根據(jù)的決定。
4.盡量多使用多態(tài)性
對于任何一門編程語言來說，條件句都是一種很常見的結(jié)構(gòu)，而且它的存在也是有一定原因的。因?yàn)椴煌慕M合可以允許用戶根據(jù)給定值或?qū)ο蟮乃矔r狀態(tài)改變系統(tǒng)的行為。假設(shè)用戶需要計(jì)算各銀行賬戶的余額，那么就可以開發(fā)出以下的代碼:
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public enum BankAccountType { CHECKING, SAVINGS, CERTIFICATE_OF_DEPOSIT;}public class BankAccount { private final BankAccountType type; public BankAccount(BankAccountType type) { this.type = type; } public double getInterestRate() { switch(type) { case CHECKING: return 0.03; // 3% case SAVINGS: return 0.04; // 4% case CERTIFICATE_OF_DEPOSIT: return 0.05; // 5% default: throw new UnsupportedOperationException(); } } public boolean supportsDeposits() { switch(type) { case CHECKING: return true; case SAVINGS: return true; case CERTIFICATE_OF_DEPOSIT: return false; default: throw new UnsupportedOperationException(); } }} |
雖然上面這段代碼滿足了基本的要求，但是有個很明顯的缺陷:用戶只是根據(jù)給定帳戶的類型決定系統(tǒng)的行為。這不僅要求用戶每次要做決定之前都需要檢查賬戶類型，還需要在做出決定時重復(fù)這個邏輯。例如，在上面的設(shè)計(jì)中，用戶必須在兩種方法都進(jìn)行檢查才可以。這就可能會出現(xiàn)失控的情況，特別是接收到添加新帳戶類型的需求時。
我們可以使用多態(tài)來隱式地做出決策，而不是使用賬戶類型用來區(qū)分。為了做到這一點(diǎn)，我們將BankAccount的具體類轉(zhuǎn)換成一個接口，并將決策過程傳入一系列具體的類，這些類代表了每種類型的銀行帳戶:
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/** * Java學(xué)習(xí)交流QQ群：589809992 我們一起學(xué)Java！ */public interface BankAccount { public double getInterestRate(); public boolean supportsDeposits();}public class CheckingAccount implements BankAccount { @Override public double getIntestRate() { return 0.03; } @Override public boolean supportsDeposits() { return true; }}public class SavingsAccount implements BankAccount { @Override public double getIntestRate() { return 0.04; } @Override public boolean supportsDeposits() { return true; }}public class CertificateOfDepositAccount implements BankAccount { @Override public double getIntestRate() { return 0.05; } @Override public boolean supportsDeposits() { return false; }} |
這不僅將每個帳戶特有的信息封裝到了到自己的類中，而且還支持用戶可以在兩種重要的方式中對設(shè)計(jì)進(jìn)行變化。首先，如果想要添加一個新的銀行帳戶類型，只需創(chuàng)建一個新的具體類，實(shí)現(xiàn)了BankAccount的接口，給出兩個方法的具體實(shí)現(xiàn)就可以了。在條件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們必須在枚舉中添加一個新值，在兩個方法中添加新的case語句，并在每個case語句下插入新帳戶的邏輯。
其次，如果我們希望在BankAccount接口中添加一個新方法，我們只需在每個具體類中添加新方法。在條件設(shè)計(jì)中，我們必須復(fù)制現(xiàn)有的switch語句并將其添加到我們的新方法中。此外，我們還必須在每個case語句中添加每個帳戶類型的邏輯。
在數(shù)學(xué)上，當(dāng)我們創(chuàng)建一個新方法或添加一個新類型時，我們必須在多態(tài)和條件設(shè)計(jì)中做出相同數(shù)量的邏輯更改。例如，如果我們在多態(tài)設(shè)計(jì)中添加一個新方法，我們必須將新方法添加到所有n個銀行帳戶的具體類中，而在條件設(shè)計(jì)中，我們必須在我們的新方法中添加n個新的case語句。如果我們在多態(tài)設(shè)計(jì)中添加一個新的account類型，我們必須在BankAccount接口中實(shí)現(xiàn)所有的m數(shù)，而在條件設(shè)計(jì)中，我們必須向每個m現(xiàn)有方法添加一個新的case語句。
雖然我們必須做的改變的數(shù)量是相等的，但變化的性質(zhì)卻是完全不同的。在多態(tài)設(shè)計(jì)中，如果我們添加一個新的帳戶類型并且忘記包含一個方法，編譯器會拋出一個錯誤，因?yàn)槲覀儧]有在我們的BankAccount接口中實(shí)現(xiàn)所有的方法。在條件設(shè)計(jì)中，沒有這樣的檢查，以確保每個類型都有一個case語句。如果添加了新類型，我們可以簡單地忘記更新每個switch語句。這個問題越嚴(yán)重，我們就越重復(fù)我們的switch語句。我們是人類，我們傾向于犯錯誤。因此，任何時候，只要我們可以依賴編譯器來提醒我們錯誤，我們就應(yīng)該這么做。
關(guān)于這兩種設(shè)計(jì)的第二個重要注意事項(xiàng)是它們在外部是等同的。例如，如果我們想要檢查一個支票帳戶的利率，條件設(shè)計(jì)就會類似如下:
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BankAccount checkingAccount = new BankAccount(BankAccountType.CHECKING);System.out.println(checkingAccount.getInterestRate()); // Output: 0.03 |
相反，多態(tài)設(shè)計(jì)將類似如下:
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BankAccount checkingAccount = new CheckingAccount();System.out.println(checkingAccount.getInterestRate()); // Output: 0.03 |
從外部的角度來看，我們只是在BankAccount對象上調(diào)用getintereUNK()。如果我們將創(chuàng)建過程抽象為一個工廠類的話，這將更加明顯:
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public class ConditionalAccountFactory { public static BankAccount createCheckingAccount() { return new BankAccount(BankAccountType.CHECKING); }}public class PolymorphicAccountFactory { public static BankAccount createCheckingAccount() { return new CheckingAccount(); }}// In both cases, we create the accounts using a factoryBankAccount conditionalCheckingAccount = ConditionalAccountFactory.createCheckingAccount();BankAccount polymorphicCheckingAccount = PolymorphicAccountFactory.createCheckingAccount();// In both cases, the call to obtain the interest rate is the sameSystem.out.println(conditionalCheckingAccount.getInterestRate()); // Output: 0.03System.out.println(polymorphicCheckingAccount.getInterestRate()); // Output: 0.03 |
將條件邏輯替換成多態(tài)類是非常常見的，因此已經(jīng)發(fā)布了將條件語句重構(gòu)為多態(tài)類的方法。這里就有一個簡單的例子。此外，馬丁·福勒(Martin Fowler)的《重構(gòu)》(p . 255)也描述了執(zhí)行這個重構(gòu)的詳細(xì)過程。
就像本文中的其他技術(shù)一樣，對于何時執(zhí)行從條件邏輯轉(zhuǎn)換到多態(tài)類，沒有硬性規(guī)定。事實(shí)上，如論在何種情況下我們都是不建議使用。在測試驅(qū)動的設(shè)計(jì)中：例如，Kent Beck設(shè)計(jì)了一個簡單的貨幣系統(tǒng)，目的是使用多態(tài)類，但發(fā)現(xiàn)這使設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，于是便將他的設(shè)計(jì)重新設(shè)計(jì)成一個非多態(tài)風(fēng)格。經(jīng)驗(yàn)和合理的判斷將決定何時是將條件代碼轉(zhuǎn)換為多態(tài)代碼的合適時間。
結(jié)束語
作為程序員，盡管平常所使用的常規(guī)技術(shù)可以解決大部分的問題，但有時我們應(yīng)該打破這種常規(guī)，主動需求一些創(chuàng)新。畢竟作為一名開發(fā)人員，擴(kuò)展自己知識面的的廣度和深度，不僅能讓我們做出更明智的決定，也能讓我們變得越來越聰明。
