計算機程序的思惟邏輯 (23) - 枚舉的本質

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前面系列，咱們介紹了Java中表示和操做數據的基本數據類型、類和接口，本節探討Java中的枚舉類型。

所謂枚舉，是一種特殊的數據，它的取值是有限的，能夠枚舉出來的，好比說一年就是有四季、一週有七天，雖然使用類也能夠處理這種數據，但枚舉類型更爲簡潔、安全和方便。

下面咱們就來介紹枚舉的使用，同時介紹其實現原理。

基礎

基本用法

定義和使用基本的枚舉是比較簡單的，咱們來看個例子，爲表示衣服的尺寸，咱們定義一個枚舉類型Size，包括三個尺寸，小/中/大，代碼以下：

public enum Size {
    SMALL, MEDIUM, LARGE
}
複製代碼

枚舉使用enum這個關鍵字來定義，Size包括三個值，分別表示小、中、大，值通常是大寫的字母，多個值之間以逗號分隔。枚舉類型能夠定義爲一個單獨的文件，也能夠定義在其餘類內部。

能夠這樣使用Size：

Size size = Size.MEDIUM
複製代碼

Size size聲明瞭一個變量size，它的類型是Size，size=Size.MEDIUM將枚舉值MEDIUM賦值給size變量。

枚舉變量的toString方法返回其字面值，全部枚舉類型也都有一個name()方法，返回值與toString()同樣，例如:

Size size = Size.SMALL;
System.out.println(size.toString());
System.out.println(size.name());
複製代碼

輸出都是SMALL。

枚舉變量可使用equals和==進行比較，結果是同樣的，例如：

Size size = Size.SMALL;
System.out.println(size==Size.SMALL);
System.out.println(size.equals(Size.SMALL));
System.out.println(size==Size.MEDIUM);
複製代碼

上面代碼的輸出結果爲三行，分別是true, true, false。

枚舉值是有順序的，能夠比較大小。枚舉類型都有一個方法int ordinal()，表示枚舉值在聲明時的順序，從0開始，例如，以下代碼輸出爲1：

Size size = Size.MEDIUM;
System.out.println(size.ordinal());
複製代碼

另外，枚舉類型都實現了Java API中的Comparable接口，均可以經過方法compareTo與其餘枚舉值進行比較，比較其實就是比較ordinal的大小，例如，以下代碼輸出爲-1，表示SMALL小於MEDIUM：

Size size = Size.SMALL;
System.out.println(size.compareTo(Size.MEDIUM));
複製代碼

枚舉變量能夠用於和其餘類型變量同樣的地方，如方法參數、類變量、實例變量等，枚舉還能夠用於switch語句，代碼以下所示：

static void onChosen(Size size){
    switch(size){
    case SMALL:
        System.out.println("chosen small"); break;
    case MEDIUM:
        System.out.println("chosen medium"); break;
    case LARGE:
        System.out.println("chosen large"); break;
    }
}
複製代碼

在switch語句內部，枚舉值不能帶枚舉類型前綴，例如，直接使用SMALL，不能使用Size.SMALL。

枚舉類型都有一個靜態的valueOf(String)方法，能夠返回字符串對應的枚舉值，例如，如下代碼輸出爲true：

System.out.println(Size.SMALL==Size.valueOf("SMALL"));
複製代碼

枚舉類型也都有一個靜態的values方法，返回一個包括全部枚舉值的數組，順序與聲明時的順序一致，例如：

for(Size size : Size.values()){
    System.out.println(size);
}
複製代碼

屏幕輸出爲三行，分別是SMALL, MEDIUM, LARGE。

枚舉的好處

Java是從JDK 5纔開始支持枚舉的，在此以前，通常是在類中定義靜態整形變量來實現相似功能，代碼以下所示：

class Size {
    public static final int SMALL = 0;
    public static final int MEDIUM = 1;
    public static final int LARGE = 2;
}
複製代碼

枚舉的好處是比較明顯的：

• 定義枚舉的語法更爲簡潔。
• 枚舉更爲安全，一個枚舉類型的變量，它的值要麼爲null，要麼爲枚舉值之一，不可能爲其餘值，但使用整形變量，它的值就沒有辦法強制，值可能就是無效的。
• 枚舉類型自帶不少便利方法(如values, valueOf, toString等)，易於使用。

基本實現原理

枚舉類型實際上會被Java編譯器轉換爲一個對應的類，這個類繼承了Java API中的java.lang.Enum類。

Enum類有兩個實例變量name和ordinal，在構造方法中須要傳遞，name(), toString(), ordinal(), compareTo(), equals()方法都是由Enum類根據其實例變量name和ordinal實現的。

values和valueOf方法是編譯器給每一個枚舉類型自動添加的，上面的枚舉類型Size轉換後的普通類的代碼大概以下所示：

public final class Size extends Enum<Size> {
    public static final Size SMALL = new Size("SMALL",0);
    public static final Size MEDIUM = new Size("MEDIUM",1);
    public static final Size LARGE = new Size("LARGE",2);
    
    private static Size[] VALUES =
            new Size[]{SMALL,MEDIUM,LARGE};
    
    private Size(String name, int ordinal){
        super(name, ordinal);
    }
    
    public static Size[] values(){
        Size[] values = new Size[VALUES.length];
        System.arraycopy(VALUES, 0,
                values, 0, VALUES.length);
        return values;
    }
    
    public static Size valueOf(String name){
        return Enum.valueOf(Size.class, name);
    }
}
複製代碼

解釋幾點：

• Size是final的，不能被繼承，Enum表示父類，是泛型寫法，咱們後續文章介紹，此處能夠忽略。
• Size有一個私有的構造方法，接受name和ordinal，傳遞給父類，私有表示不能在外部建立新的實例。
• 三個枚舉值其實是三個靜態變量，也是final的，不能被修改。
• values方法是編譯器添加的，內部有一個values數組保持全部枚舉值。
• valueOf方法調用的是父類的方法，額外傳遞了參數Size.class，表示類的類型信息，類型信息咱們後續文章介紹，父類其實是回過頭來調用values方法，根據name對比獲得對應的枚舉值的。

通常枚舉變量會被轉換爲對應的類變量，在switch語句中，枚舉值會被轉換爲其對應的ordinal值。

能夠看出，枚舉類型本質上也是類，但因爲編譯器自動作了不少事情，它的使用也就更爲簡潔、安全和方便。

典型場景

用法

以上枚舉用法是最簡單的，實際中枚舉常常會有關聯的實例變量和方法，好比說，上面的Size例子，每一個枚舉值可能有關聯的縮寫和中文名稱，可能須要靜態方法根據縮寫返回對應的枚舉值，修改後的Size代碼以下所示：

public enum Size {
    SMALL("S","小號"),
    MEDIUM("M","中號"),
    LARGE("L","大號");
    
    private String abbr;
    private String title;
    
    private Size(String abbr, String title){
        this.abbr = abbr;
        this.title = title;
    }

    public String getAbbr() {
        return abbr;
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }
    
    public static Size fromAbbr(String abbr){
        for(Size size : Size.values()){
            if(size.getAbbr().equals(abbr)){
                return size;
            }
        }
        return null;
    }
}
複製代碼

以上代碼定義了兩個實例變量abbr和title，以及對應的get方法，分別表示縮寫和中文名稱，定義了一個私有構造方法，接受縮寫和中文名稱，每一個枚舉值在定義的時候都傳遞了對應的值，同時定義了一個靜態方法fromAbbr根據縮寫返回對應的枚舉值。

須要說明的是，枚舉值的定義須要放在最上面，枚舉值寫完以後，要以分號(;)結尾，而後才能寫其餘代碼。

這個枚舉定義的使用與其餘類相似，好比說：

Size s = Size.MEDIUM;
System.out.println(s.getAbbr());

s = Size.fromAbbr("L");
System.out.println(s.getTitle());
複製代碼

以上代碼分別輸出: M, 大號

實現原理

加了實例變量和方法後，枚舉轉換後的類與上面的相似，只是增長了對應的變量和方法，修改了構造方法，代碼不一樣之處大概以下所示：

public final class Size extends Enum<Size> {
  public static final Size SMALL =        
          new Size("SMALL",0, "S", "小號");     
  public static final Size MEDIUM =       
          new Size("MEDIUM",1,"M","中號");      
  public static final Size LARGE =        
          new Size("LARGE",2,"L","大號");       
                                          
  private String abbr;                    
  private String title;                   
                                          
  private Size(String name, int ordinal, String abbr, String title){         
      super(name, ordinal);               
      this.abbr = abbr;                   
      this.title = title;                 
  }
  //... 其餘代碼
}  
複製代碼

說明

每一個枚舉值常常有一個關聯的標示(id)，一般用int整數表示，使用整數能夠節約存儲空間，減小網絡傳輸。一個天然的想法是使用枚舉中自帶的ordinal值，但ordinal並非一個好的選擇。

爲何呢？由於ordinal的值會隨着枚舉值在定義中的位置變化而變化，但通常來講，咱們但願id值和枚舉值的關係保持不變，尤爲是表示枚舉值的id已經保存在了不少地方的時候。

好比說，上面的Size例子，Size.SMALL的ordinal的值爲0，咱們但願0表示的就是Size.SMALL的，但若是咱們增長一個表示超小的值XSMALL呢？

public enum Size {
    XSMALL, SMALL, MEDIUM, LARGE
}
複製代碼

這時，0就表示XSMALL了。

因此，通常是增長一個實例變量表示id，使用實例變量的另外一個好處是，id能夠本身定義。好比說，Size例子能夠寫爲：

public enum Size {
    XSMALL(10), SMALL(20), MEDIUM(30), LARGE(40);
    
    private int id;
    private Size(int id){
        this.id = id;
    }
    public int getId() {
        return id;
    }
}
複製代碼

高級用法

枚舉還有一些高級用法，好比說，每一個枚舉值能夠有關聯的類定義體，枚舉類型能夠聲明抽象方法，每一個枚舉值中能夠實現該方法，也能夠重寫枚舉類型的其餘方法。

好比說，咱們看改後的Size代碼（這個代碼實際意義不大，主要展現語法）：

public enum Size {
    SMALL {
        @Override
        public void onChosen() {
            System.out.println("chosen small");
        }
    },MEDIUM {
        @Override
        public void onChosen() {
            System.out.println("chosen medium");
        }
    },LARGE {
        @Override
        public void onChosen() {
            System.out.println("chosen large");
        }
    };
    
    public abstract void onChosen();
} 
複製代碼

Size枚舉類型定義了onChosen抽象方法，表示選擇了該尺寸後執行的代碼，每一個枚舉值後面都有一個類定義體{}，都重寫了onChosen方法。

這種寫法有什麼好處呢？若是每一個或部分枚舉值有一些特定的行爲，使用這種寫法比較簡潔。對於這個例子，上面咱們介紹了其對應的switch語句，在switch語句中根據size的值執行不一樣的代碼。

switch的缺陷是，定義swich的代碼和定義枚舉類型的代碼可能不在一塊兒，若是新增了枚舉值，應該須要一樣修改switch代碼，但可能會忘記，而若是使用抽象方法，則不可能忘記，在定義枚舉值的同時，編譯器會強迫同時定義相關行爲代碼。因此，若是行爲代碼和枚舉值是密切相關的，使用以上寫法能夠更爲簡潔、安全、容易維護。

這種寫法內部是怎麼實現的呢？每一個枚舉值都會生成一個類，這個類繼承了枚舉類型對應的類，而後再加上值特定的類定義體代碼，枚舉值會變成這個子類的對象，具體代碼咱們就不贅述了。

枚舉還有一些其餘高級用法，好比說，枚舉能夠實現接口，也能夠在接口中定義枚舉，使用相對較少，本文就不介紹了。

小結

本節介紹了枚舉類型，介紹了基礎用法、典型場景及高級用法，不只介紹瞭如何使用，還介紹了實現原理，對於枚舉類型的數據，雖然直接使用類也能夠處理，但枚舉類型更爲簡潔、安全和方便。

咱們以前提到過異常，但並未深刻討論，讓咱們下節來探討。

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