Scala 的面向对象与函数编程

Question

很难说 FP 和 OO 孰优孰劣，应该依场景合理选择使用。倘若从这个角度出发，Scala 就体现出好处了，毕竟它同时支持了 OO 和 FP 两种设计范式。

从设计角度看，我认为 OO 更强调对象的自治，即每个对象承担自己应该履行的职责。倘若在编码实现时能遵循“自治”原则，就不容易设计出贫血对象出来。FP 则更强调函数的分治，即努力保证函数的纯粹性和原子性，对一个大问题进行充分地分解，分别治理，然后再利用函数的组合性完成职责的履行，即所谓“通过增量组合建立抽象”。

需求

我最近正在编写的一个需求场景，正好完美地展现了这两种不同范式的设计威力。我要实现的是一个条件表达式树的验证和解析，这棵树的节点分为两种类型：

• Condition Group
• Condition

Condition Group 作为根节点，可以递归嵌套 Condition Group 和 Condition，如下图所示：

对条件表达式树的验证主要是避免出现非法节点，例如不支持的操作符，不符合要求的条件值，不合理的递归嵌套，空节点等。若验证不通过则需要提供错误信息，并返回给前端 400 的 BadRequest。解析时，必须保证节点是合规的，解析后的结果为满足 SQL 语法中 where 条件子句的字符串。

验证

针对表达式数的合规性验证，我选择了 FP 的实现方式。为何做出这样的选择？试剖析整个验证行为，可以分解为如下的验证逻辑：

• 对表达式树的验证
  • 对当前 Condition 节点的验证
  • 对当前 Condition Group 节点的验证

可以看到，分解出来的处于同一层次的验证逻辑，彼此之间是完全正交的，获得的结果互相不受影响。同时，这些“原子”的验证逻辑又可以组合起来，形成更高粒度的正交的验证，例如对 Condition 和 Condition Group 的验证，彼此独立，组合起来却又可以形成对整个表达式树的验证。

考虑函数的 side effect，应尽量做到无副作用，这更选择选择 FP 的方式，且 Scala 自身提供了 Try[T] 类型，可以避免在函数中抛出具有副作用的异常。 Try[T] 是一个 Monad，可以支持 for comprehension 对函数进行组合。

由于验证逻辑彼此正交，对函数的实现就变得非常纯粹而简单，不用考虑太多外在的因素。只要设计好函数的接口，函数可以专心做自己的事情。

对 Condition 当前节点的验证

对 Condition 的验证相对简单，只需要分别针对操作符和条件值进行验证即可。如下是代码实现：

trait ConditionValidator {
  def validateCondition(condition: Condition): Try[Boolean] = {
    for {
      _ <- validateOperator(condition)
      result <- validateValues(condition)
    } yield result
  }

  def validateOperator(condition: Condition): Try[Boolean] = {
    List("between", "in", "<", ">", "=", "<=", ">=", "<>").contains(condition.operator.toLowerCase) match {
      case true => Success(true)
      case false => Failure(new Throwable(s"can't support operator ${condition.operator}"))
    }
  }

  def validateValues(condition: Condition): Try[Boolean] = {
    val error = new Throwable(s"invalid values for condition ${condition}")
    if (condition.values.isEmpty) return Failure(error)
    if (condition.operator.isBetween && condition.values.size != 2) return Failure(error)
    if (condition.operator.isCommon && condition.values.size != 1) return Failure(error)

    Success(true)
  }

  implicit class StringOperator(operator: String) {
    def isBetween: Boolean = operator.toLowerCase == "between"
    def isIn: Boolean = operator.toLowerCase == "in"
    def isCommon: Boolean = List("<", ">", "=", "<=", ">=", "<>").contains(operator.toLowerCase)
  }
}

对 ConditionGroup 当前节点的验证

这里对 ConditionGroup 的验证仅仅针对当前节点，不用去考虑 ConditionGroup 的嵌套，那是对表达式树的验证，属于另一个层次。把这一职责的边界明确界定，代码实现就变得非常的简单：

trait ConditionGroupValidator {
  def validateConditionGroup(group: ConditionGroup): Try[Boolean] = {
    for {
      _ <- validateLogicOperator(group)
      result <- validateConditionSize(group)
    } yield result
  }

  def validateConditionSize(group: ConditionGroup): Try[Boolean] = {
    val error = new Throwable(s"invalid condition group for ${group}")
    group.logicOperator.toLowerCase match {
      case "not" => if (group.conditions.size == 1) Success(true) else Failure(error)
      case _ => if (group.conditions.size >= 2) Success(true) else Failure(error)
    }
  }

  def validateLogicOperator(group: ConditionGroup): Try[Boolean] = {
    List("and", "or", "not").contains(group.logicOperator.toLowerCase()) match {
      case true => Success(true)
      case false => Failure(new Throwable(s"invalid logic operator ${group.logicOperator} for ConditionGroup"))
    }
  }
}

对表达式树的验证

对表达式树的验证相对复杂，因为牵涉到递归，尤其是从性能考虑，需要使用尾递归（tail recursion）。关于尾递归的知识，在我之前的博客《 艾舍尔的画手与尾递归 》中已有详细介绍，这里不再赘述。阅读下面的代码实现时，注意尾递归方法 recurseValidate() 的第二个参数，其实就是关键的 accumulator。

trait CriteriaValidator extends ConditionValidator with ConditionGroupValidator {
  def validate(group: ConditionGroup): Try[Boolean] = {
    @tailrec
    def recurseValidate(expr: List[ConditionExpression], result: Try[Boolean]): Try[Boolean] = {
      val ex = new Throwable(s"invalid condition group ${group}")
      expr match {
        case Nil => Failure(ex)
        case head::Nil => result.flatMap(_ => validateExpression(head))
        case head::tail => recurseValidate(tail, validateExpression(head))
      }
    }
    validateConditionGroup(group).flatMap(_ => recurseValidate(group.conditions, Success(true)))
  }

  def validateExpression(expr: ConditionExpression): Try[Boolean] = expr match {
    case expr: ConditionGroup => validateConditionGroup(expr)
    case expr: Condition => validateCondition(expr)
  }
}

注意，在函数 validate() 中，实际上是验证 ConditionGroup 当前节点的函数 validateConditionGroup() 与尾递归方法 recurseValidate() 的组合。至于 validateExpression() 函数的引入，不过是为了避免不必要的类型判断和强制类型转换罢了。

解析

我最初也曾尝试依旧采用 FP 方式实现解析功能。思索良久，发现要实现起来困难重重。最主要的障碍在于：每个解析行为返回的结果都会影响到别的节点，进而影响整个表达式。例如，为了保证解析后 where 子句的语法合规，需要考虑为每个节点解析的结果添加小括号。

当对整个表达式树进行递归解析时，每次返回的结果无法直接作为 accumulator 的值。如果在当前递归层添加了小括号，由于该层次下的子节点还未得到解析，就会导致小括号范围有误；如果不添加小括号，就无法界定各个层次逻辑子句的优先级，导致筛选结果不符合预期。换言之，其中的关键在于每个解析操作并非正交的，因此无法对函数进行“分治”的拆解。

倘若站在 OO 的角度去思考，则对条件表达式的解析，实际就是对各个节点的解析。由于解析行为需要的数据是各个节点对象已经具备的，遵循信息专家模式，就应该让节点对象自己来履行职责，这就是所谓的“对象的自治”。而从抽象层面进行分析，虽然各个节点拥有的数据不同，解析行为的实现也不尽相同，却都是在完成对自身的解析。于是，我们通过 ConditionExpression 完成对不同节点类型的抽象。此时，Condition Group 是表达式树的枝节点，而 Condition 则是表达式树的叶子节点。如下图所示，不恰好是 Composite 模式的体现么？

我们首先需要定义 ConditionExpression 抽象。这里之所以定义为抽象类，而非 trait，是为了支持 Json 解析的多态，与本文无关，这里不再解释。

abstract class ConditionExpression {
  def evaluate: String
}

作为枝节点的 ConditionGroup ，不仅要解析自身，还要负责解析嵌套的子节点。但是，父节点不用考虑解析子节点内部的实现，它仅仅是在合适的地方发起对子节点的调用就可以了。这才是真正的“自治”，也就是每个对象在理智上都保持对“权力的克制”，仅负责履行属于自己的职责，绝不越权。

case class ConditionGroup(logicOperator: String, conditions: List[ConditionExpression]) extends ConditionExpression {
  def evaluate: String = {
    logicOperator.toLowerCase match {
      case "not" => s"(NOT ${conditions.head.evaluate})"
      case _ => {
        val expr = conditions.map(_.evaluate).reduce((l, r) => s"${l} ${logicOperator.toUpperCase} ${r}")
        s"($expr)"
      }
    }
  }
}

case class Condition(fieldName: String, operator: String, values: List[String], dataType: String) extends ConditionExpression {
  def evaluate: String = {
    def handleValue(value: String, dataType: String): String = {
      dataType.toLowerCase match {
        case "text" => s"'${value}'"
        case "number" => value
        case _ => value
      }
    }

    val correctValues = values.map(v => handleValue(v, dataType))
    val expr = operator.toLowerCase() match {
      case "between" => s"BETWEEN ${correctValues.head} AND ${correctValues.last}"
      case "in" => {
        val range = correctValues.map(x => s"$x").mkString(",")
        s"IN (${range})"
      }
      case _ => s"${operator.toUpperCase} ${correctValues.head}"
    }
    s"(${fieldName} ${expr})"
  }
}

组合验证与解析

若采用自顶向下的设计方法来看待整个功能，则表达式树的验证与解析属于两个不同的职责，遵循“单一职责原则”，我们应该将其分离。在进行验证时，无需考虑解析的逻辑；在开始解析表达式树时，也无需负担验证合法性的包袱。分则简易，合则纠缠不清。只有进行了合理地“分治”后然后再组合，景色就大不相同了：

trait CriteriaParser extends CriteriaValidator {
  def parse(group: ConditionGroup): Try[String] = {
    validate(group).map(_ => group.evaluate)
  }
}

结论

就我个人而言，我认为 OO 与 FP 并不是势如水火的天敌，也无需发出“既生瑜何生亮”的慨叹，非得比出胜负。本文的例子当然仅仅是冰山一角地体现了 OO 与 FP 各自的优势。善于面向对象思维的，不能抱残守缺，闭关自守。函数式思维的大潮挡不住，也不必视其为洪水猛兽，反而应该主动去拥抱。精通函数式编程的，也不必过于炫技，夸大函数式思维的重要性，就好似要“一统江湖”似的。

无论面向对象还是函数思维，用对了才是对的。