访问者模式

设计模式

一说起“设计模式” (design pattern)，人们总会首先想到我们的老朋友 Java。 Java 的狂热者可能会认为，没有设计模式的 Java 代码，就像失去灵魂的空壳。但是，设计模式真的是在好好“设计”吗？

无论是学术界还是工业界，已经有越来越多的人对设计模式持反对的态度。他们认为，设计模式是有害的 (Design patterns should be considered harmful)。如果你读过所谓“精通 Java 设计模式”之流的书，并仔细思考其中的“设计理念”，你会发现，其实很多设计模式是语言设计的缺陷导致的。反观其他一些编程语言，相当一部分设计模式在它们之中并不存在。为什么？因为根本不需要，只要正常写就行了。而访问者模式 (visitor pattern) 就是其中之一。

模式匹配

与其他很多标榜自己为“函数式”的语言一样，Scala 支持模式匹配 (pattern matching)。如果我们想实现一个对加减法表达式求值的程序，那么只用模式匹配就够了：

sealed abstract class Expr
case class Add(lhs: Expr, rhs: Expr) extends Expr
case class Sub(lhs: Expr, rhs: Expr) extends Expr
case class Number(value: Int) extends Expr

def eval(expr: Expr): Int = expr match {
  case Add(l, r) => eval(l) + eval(r)
  case Sub(l, r) => eval(l) - eval(r)
  case Number(v) => v
}

简单易懂，易于调试。如果你漏掉了一些 case，如忘记了 Number：

def eval(expr: Expr): Int = expr match {
  case Add(l, r) => eval(l) + eval(r)
  case Sub(l, r) => eval(l) - eval(r)
}

编译器还会报警告：

warning: match may not be exhaustive.
It would fail on the following input: Number(_)
       def eval(expr: Expr): Int = expr match {
                                   ^

你如果没看见，那么运行时求值到 Number 时也会抛出异常 MatchError，这样你很快就能意识到哪里出错了。

访问者模式

Java 没有模式匹配。因此，为了实现上述加减法求值的功能，我们得费一番功夫。如果我们想仿照上述写法，那么可以这样：

abstract class Expr {}
class Add extends Expr { Expr lhs; Expr rhs; }
class Sub extends Expr { Expr lhs; Expr rhs; }
class Number extends Expr { int value; }

int eval(Expr expr) {
    if (expr instanceof Add) { // 分支1
        var e = (Add) expr;
        var l = eval(e.lhs);
        var r = eval(e.rhs);
        return l + r;
    } else if (expr instanceof Sub) { // 分支2
        var e = (Sub) expr;
        var l = eval(e.lhs);
        var r = eval(e.rhs);
        return l - r;
    } else { // 分支3：expr instanceof Number
        var e = (Number) expr;
        return e.value;
    }
}

这样也不是不行，但是反复的 instanceof 和强制类型转换让开发者觉得这样的代码十分丑陋。如果程序员粗心把强制转换写错了，鬼知道在运行时的哪个阶段会莫名其妙的出来 ClassCastException。为了解决这个“问题”，Java 开发者设计出了这样一种“巧妙”的方法：

既然我们不愿意强制类型转换，那么不妨把每个 if 分支提取成一个方法，然后让方法的参数就是我们要的那个类型：

interface ExprVisitor<T> {
    T visitAdd(Add e);
    T visitSub(Sub e);
    T visitNumber(Number e);
}

接下来，如何让比如说 visitAdd 恰好能够应用到一个类型为 Add 的表达式上面呢？我们只要让每个表达式都支持一个负责转发的方法即可：

abstract class Expr {
    abstract <T> T accept(ExprVisitor<T> v);
}

class Add extends Expr {
    Expr lhs;
    Expr rhs;

    @Override
    <T> T accept(ExprVisitor<T> v) { return v.visitAdd(this); }
}

class Sub extends Expr {
    Expr lhs;
    Expr rhs;

    @Override
    <T> T accept(ExprVisitor<T> v) { return v.visitSub(this); }
}

class Number extends Expr {
    int value;

    @Override
    <T> T accept(ExprVisitor<T> v) { return v.visitNumber(this); }
}

最后将 eval 方法实现为一个访问者的实例：

class EvalVisitor implements ExprVisitor<Integer> {

    @Override
    int visitAdd(Add e) {
        var l = e.lhs.accept(this);
        var r = e.rhs.accept(this);
        return l + r;
    }

    @Override
    int visitSub(Sub e) {
        var l = e.lhs.accept(this);
        var r = e.rhs.accept(this);
        return l - r;
    }

    @Override
    int visitNumber(Number e) {
        return e.value;
    }
}

int eval(Expr expr) {
    var v = new EvalVisitor();
    return expr.accept(v);
}

这样，对于任意的 Expr，我们只要调用它的 accept 方法，那么按照 OOP 的动态分派 (dynamic dispatch) 机制，根据这个表达式对象的具体类型，三个分支之一将会被调用。具体来说，执行 e.accept(v) 时：

如果 e instanceof Add，那么相当于调用的是 Add 类定义的 accept 方法，该方法会调用 v.visitAdd（分支1）
如果 e instanceof Sub，那么相当于调用的是 Sub 类定义的 accept 方法，该方法会调用 v.visitSub（分支2）
如果 e instanceof Number，那么相当于调用的是 Number 类定义的 accept 方法，该方法会调用 v.visitNumber（分支3）

进而用了一种更加“优雅”的方法实现了之前那个丑陋的三段 if-else 函数的功能。

总结一下，为了实现相同的功能，Scala 需要定义1个抽象类、3个具体的类和1个方法，而 Java 需要定义1个抽象类、1个接口、4个具体的类和实现6个方法。回顾这个设计模式，你会发现，我们其实就是在手动模拟一种典型的模式匹配。如果一个语言将模式匹配作为其基础语言特性，那么我们就不用费劲来手动模拟了。

框架中的访问者模式

Scala 实验框架中，只有在与 Java 进行混合编程的地方才会使用访问者模式，其他部分一律使用正常的模式匹配。如果将来实验框架完全不依赖于 Java 库的话，那么无需访问者模式。目前，Rust 版框架已经做到这一点了。

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