Generowanie klas Java z parametrami wartości czasu kompilacji

Rozważmy sytuację, w której klasa implementuje to samo podstawowe zachowanie, metody itd., Ale istnieje wiele różnych wersji tej klasy do różnych zastosowań. W moim szczególnym przypadku mam wektor (wektor geometryczny, a nie listę) i ten wektor może mieć zastosowanie do dowolnej N-wymiarowej przestrzeni euklidesowej (1 wymiar, 2 wymiar, ...). Jak można zdefiniować tę klasę / typ?

Byłoby to łatwe w C ++, gdzie szablony klas mogą mieć rzeczywiste wartości jako parametry, ale nie mamy tego luksusu w Javie.

Dwa podejścia, które mogę wymyślić, które można zastosować w celu rozwiązania tego problemu, to:

1. Posiadanie implementacji każdego możliwego przypadku w czasie kompilacji.

   public interface Vector {
       public double magnitude();
   }
   
   public class Vector1 implements Vector {
       public final double x;
       public Vector1(double x) {
           this.x = x;
       }
       @Override
       public double magnitude() {
           return x;
       }
       public double getX() {
           return x;
       }
   }
   
   public class Vector2 implements Vector {
       public final double x, y;
       public Vector2(double x, double y) {
           this.x = x;
           this.y = y;
       }
       @Override
       public double magnitude() {
           return Math.sqrt(x * x + y * y);
       }
       public double getX() {
           return x;
       }
       public double getY() {
           return y;
       }
   }

   To rozwiązanie jest oczywiście bardzo czasochłonne i niezwykle uciążliwe dla kodu. W tym przykładzie nie wydaje się to takie złe, ale w moim rzeczywistym kodzie mam do czynienia z wektorami, które mają wiele implementacji, z maksymalnie czterema wymiarami (x, y, z i w). Obecnie mam ponad 2000 wierszy kodu, chociaż każdy wektor naprawdę potrzebuje tylko 500.

2. Określanie parametrów w czasie wykonywania.

   public class Vector {
       private final double[] components;
       public Vector(double[] components) {
           this.components = components;
       }
       public int dimensions() {
           return components.length;
       }
       public double magnitude() {
           double sum = 0;
           for (double component : components) {
               sum += component * component;
           }
           return Math.sqrt(sum);
       }
       public double getComponent(int index) {
           return components[index];
       }
   }

   Niestety to rozwiązanie szkodzi wydajności kodu, powoduje powstanie bałaganu w porównaniu z poprzednim rozwiązaniem i nie jest tak bezpieczne w czasie kompilacji (nie można zagwarantować w czasie kompilacji, że wektor, z którym mamy do czynienia, jest w rzeczywistości dwuwymiarowy, na przykład).

Obecnie rozwijam się w Xtend, więc jeśli jakiekolwiek rozwiązania Xtend będą dostępne, będą one również do przyjęcia.

W takich przypadkach używam generowania kodu.

Piszę aplikację Java, która generuje rzeczywisty kod. W ten sposób możesz łatwo użyć pętli for, aby wygenerować kilka różnych wersji. Używam JavaPoet , co sprawia, że ​​budowanie właściwego kodu jest dość proste. Następnie możesz zintegrować generowanie kodu z systemem kompilacji.

Mam bardzo podobny model w mojej aplikacji, a naszym rozwiązaniem było po prostu utrzymanie mapy o dynamicznym rozmiarze, podobnej do twojego rozwiązania 2.

Po prostu nie będziesz musiał się martwić wydajnością z takim rodzajem prymitywu java. Generujemy macierze o górnych granicach 100 kolumn (czytaj: 100 wektorów wymiarowych) na 10 000 wierszy i osiągnęliśmy dobrą wydajność przy znacznie bardziej złożonych typach wektorów niż Twoje rozwiązanie 2. Możesz spróbować uszczelnić klasę lub metody znakowania jako ostateczne aby przyspieszyć, ale myślę, że optymalizujesz przedwcześnie.

Możesz uzyskać oszczędności kodu (kosztem wydajności), tworząc klasę podstawową do udostępniania kodu:

public interface Vector(){

    abstract class Abstract {           
        protected abstract double[] asArray();

        int dimensions(){ return asArray().length; }

        double magnitude(){ 
            double sum = 0;
            for (double component : asArray()) {
                sum += component * component;
            }
            return Math.sqrt(sum);
        }     

        //any additional behavior here   
    }
}

public class Scalar extends Vector.Abstract {
    private double x;

    public double getX(){
        return x;
    }

    @Override
    public double[] asArray(){
        return new double[]{x};
    }
}

public class Cartesian extends Vector.Abstract {

    public double x, y;

    public double getX(){ return x; }
    public double getY(){ return y; }

    @Override public double[] asArray(){ return new double[]{x, y}; }
}

Oczywiście, jeśli korzystasz z Java-8 +, możesz użyć domyślnych interfejsów, aby uczynić to jeszcze bardziej ścisłym:

public interface Vector{

    default public double magnitude(){
        double sum = 0;
        for (double component : asArray()) {
            sum += component * component;
        }
        return Math.sqrt(sum);
    }

    default public int dimensions(){
        return asArray().length;
    }

    default double getComponent(int index){
        return asArray()[index];
    }

    double[] asArray();

    // giving up a little bit of static-safety in exchange for 
    // runtime exceptions, we can implement the getX(), getY() 
    // etc methods here, 
    // and simply have them throw if the dimensionality is too low 
    // (you can of course do this on the abstract-class strategy as well)

    //document or use checked-exceptions to indicate that these methods throw IndexOutOfBounds exceptions (or a wrapped version)

    default public getX(){
        return getComponent(0);
    }
    default public getY(){
        return getComponent(1);
    }
    //...


    }

    //as a general rule, defaulted interfaces should assume statelessness, 
    // so you want to avoid putting mutating operations 
    // as defaulted methods on an interface, since they'll only make your life harder
}

Poza tym JVM nie ma możliwości. Możesz oczywiście napisać je w C ++ i użyć czegoś takiego jak JNA, aby je zmostkować - to nasze rozwiązanie dla niektórych szybkich operacji matrycowych, w których używamy MKL fortran i Intel - ale spowolni to tylko, jeśli po prostu piszesz swoją matrycę w C ++ i wywołujesz jej moduły pobierające / ustawiające z java.

Rozważmy wyliczenie z każdym nazwanym Vectorem posiadającym konstruktor, który składa się z tablicy (zainicjowanej na liście parametrów z nazwami wymiarów lub podobnymi, a może po prostu liczbą całkowitą dla rozmiaru lub pustą tablicą komponentów - twoim projektem) i lambda dla metoda getMagnitude. Możesz mieć enum także zaimplementować interfejs dla setComponents / getComponent (s) i po prostu ustalić, który składnik był w użyciu, eliminując getX, i in. Przed użyciem należy zainicjować każdy obiekt z jego rzeczywistymi wartościami składników, prawdopodobnie sprawdzając, czy rozmiar tablicy wejściowej odpowiada nazwom lub rozmiarom wymiarów.

Następnie, jeśli rozszerzysz rozwiązanie na inny wymiar, po prostu zmodyfikujesz wyliczenie i lambda.

Opierając się na opcji 2, dlaczego po prostu tego nie zrobić? Jeśli chcesz uniemożliwić korzystanie z surowej bazy, możesz uczynić ją abstrakcyjną:

class Vector2 extends Vector
{
  public Vector2(double x, double y) {
    super(new double[]{x,y});
  }

  public double getX() {
    return getComponent(0);
  }

  public double getY() {
    return getComponent(1);
  }
}

Jeden pomysł:

1. Wektor abstrakcyjny klasy bazowej zapewniający implementacje o zmiennym wymiarze oparte na metodzie getComponent (i).
2. Indywidualne podklasy Vector1, Vector2, Vector3, obejmujące typowe przypadki, zastępujące metody Vector.
3. Podklasa DynVector dla ogólnego przypadku.
4. Metody fabryczne z listami argumentów o stałej długości dla typowych przypadków, zadeklarowane do zwrócenia Vector1, Vector2 lub Vector3.
5. Metoda fabryczna var-args, zadeklarowana do zwrócenia Vector, wystąpienia instancji Vector1, Vector2, Vector3 lub DynVector, w zależności od długości arglisty.

Zapewnia to dobrą wydajność w typowych przypadkach i pewne bezpieczeństwo podczas kompilacji (wciąż można je poprawić) bez poświęcania ogólnego przypadku.

Szkielet kodu:

public abstract class Vector {
    protected abstract int dimension();
    protected abstract double getComponent(int i);
    protected abstract void setComponent(int i, double value);

    public double magnitude() {
        double sum = 0.0;
        for (int i=0; i<dimension(); i++) {
            sum += getComponent(i) * getComponent(i);
        }
        return Math.sqrt(sum);
    }

    public void add(Vector other) {
        for (int i=0; i<dimension(); i++) {
            setComponent(i, getComponent(i) + other.getComponent(i));
        }
    }

    public static Vector1 create(double x) {
        return new Vector1(x);
    }

    public static Vector create(double... values) {
        switch(values.length) {
        case 1:
            return new Vector1(values[0]);
        default:
            return new DynVector(values);
        }

    }
}

class Vector1 extends Vector {
    private double x;

    public Vector1(double x) {
        super();
        this.x = x;
    }

    @Override
    public double magnitude() {
        return Math.abs(x);
    }

    @Override
    protected int dimension() {
        return 1;
    }

    @Override
    protected double getComponent(int i) {
        return x;
    }

    @Override
    protected void setComponent(int i, double value) {
        x = value;
    }

    @Override
    public void add(Vector other) {
        x += ((Vector1) other).x;
    }

    public void add(Vector1 other) {
        x += other.x;
    }
}

class DynVector extends Vector {
    private double[] values;
    public DynVector(double[] values) {
        this.values = values;
    }

    @Override
    protected int dimension() {
        return values.length;
    }

    @Override
    protected double getComponent(int i) {
        return values[i];
    }

    @Override
    protected void setComponent(int i, double value) {
        values[i] = value;
    }

}