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Java 17 LTS-封闭类和封闭接口（Sealed Classes and Interfaces）

news 2025/4/29 17:05:09

Java 17 是一款长期支持版本（LTS），引入了多个新特性，其中之一便是封闭类和封闭接口（Sealed Classes and Interfaces）。封闭类和接口为类层次结构的设计提供了更多的控制，使得开发者能够严格定义哪些类可以扩展或实现某个类或接口。

一、封闭类和封闭接口的概念

封闭类（Sealed Classes）和封闭接口（Sealed Interfaces）是指通过声明其子类或实现类的权限，限制哪些类可以继承该类或实现该接口。通过这种机制，类的继承结构可以得到更好的管理和控制，避免无约束的扩展。

1. 封闭类的基本特性

封闭类的设计目的是为了限制子类的数量，确保继承结构在设计时被精确定义。封闭类的子类可以是：

最终类（final class）：不允许进一步继承。
封闭类（sealed class）：子类本身也可以封闭，进一步限制其子类。
非封闭类（non-sealed class）：打破封闭性，允许任意继承。

2. 封闭接口的基本特性

封闭接口与封闭类的概念类似，它限制了哪些类可以实现该接口，确保接口的实现只能在特定的子类型中进行。

二、封闭类和接口的语法

Java 17 引入的 sealed 关键字用于声明一个封闭类或封闭接口。封闭类和接口必须显式地列出其允许的子类或实现类，使用 permits 关键字。

1. 封闭类的语法

public sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Triangle {// 类的定义
}

在上面的例子中，Shape 是一个封闭类，它仅允许 Circle、Rectangle 和 Triangle 作为其子类。这个类的继承结构受到了严格限制。

2. 封闭接口的语法

public sealed interface Vehicle permits Car, Truck, Bike {// 接口的方法
}

在这个例子中，Vehicle 是一个封闭接口，它只允许 Car、Truck 和 Bike 来实现。

三、封闭类和接口的子类规则

对于封闭类或接口的子类，有以下几种选择：

最终类（final class）：声明为最终类后，不能再被继承。
```
public final class Circle extends Shape {// Circle 的实现
}
```

封闭类（sealed class）：子类本身可以继续封闭，限制其进一步的子类。

public sealed class Rectangle extends Shape permits Square {// Rectangle 的实现
}

非封闭类（non-sealed class）：打破封闭，允许其他类自由继承。
```
public non-sealed class Triangle extends Shape {// Triangle 的实现
}
```

通过这些选择，开发者可以灵活定义继承层次的封闭性和开放性。

四、封闭类和接口的使用场景

封闭类和接口特别适合用于以下场景：

1. 枚举替代方案

在某些情况下，封闭类可以作为枚举的替代方案，特别是在需要定义一组类型，但这些类型需要包含额外的状态或行为时。例如，定义几何形状：

public sealed class Shape permits Circle, Rectangle, Triangle {public abstract double area();
}public final class Circle extends Shape {private final double radius;public Circle(double radius) {this.radius = radius;}@Overridepublic double area() {return Math.PI * radius * radius;}
}public final class Rectangle extends Shape {private final double width, height;public Rectangle(double width, double height) {this.width = width;this.height = height;}@Overridepublic double area() {return width * height;}
}public non-sealed class Triangle extends Shape {private final double base, height;public Triangle(double base, double height) {this.base = base;this.height = height;}@Overridepublic double area() {return 0.5 * base * height;}
}

在这个例子中，Shape 是一个封闭类，只允许特定的子类定义几何形状。每种形状都实现了自己的 area() 方法，这类似于枚举的行为，但具有更大的灵活性。

2. 安全的继承设计

封闭类可以确保类的继承结构在设计时被控制和限制，这对框架开发者尤其有用。例如，当开发者不希望某个类被滥用或过度继承时，封闭类能提供明确的限制。

3. 强制类层次结构

在某些设计模式或领域建模中，封闭类可以确保类层次结构的完整性。例如，若一个应用只允许某些特定类型参与交易，那么可以通过封闭接口来限制实现类的范围。

五、封闭类和接口的优势

封闭类和接口提供了几个显著的优势：

增强的封装性：通过限制子类或实现类的数量和种类，封闭类和接口增强了类的封装性。开发者可以对类层次结构进行更多控制，避免不受控制的继承。
简化模式匹配：随着封闭类的引入，Java 还计划在未来版本中支持模式匹配（Pattern Matching）功能。封闭类的引入将使模式匹配更加简单和安全，因为编译器可以通过封闭类的定义得知所有可能的子类。
明确的类层次设计：封闭类让类层次设计更加明确。开发者可以在设计时定义好子类和实现类，确保继承的范围和规则得到遵守，避免意外扩展。
编译时检查：封闭类和接口的子类必须在同一个模块或包中定义，编译器可以确保所有的子类都在允许的范围内，并且不会有未定义的类被添加进来，从而提高了系统的安全性。
更好的代码维护：封闭类和接口能够减少继承结构中的不确定性，使代码的维护更加轻松。由于继承结构是设计时明确规定的，未来的维护人员可以清楚地知道类的继承层次，从而减少理解和修改代码的难度。