Derleme zamanı değeri parametreleriyle Java sınıfları oluşturma

Bir sınıfın aynı temel davranışı, yöntemleri, vb. Uyguladığı bir durumu düşünün, ancak bu sınıfın farklı kullanımlar için birden çok farklı sürümü mevcut olabilir. Benim özel durumumda, bir vektörüm var (liste değil geometrik bir vektör) ve bu vektör herhangi bir N-boyutlu Öklid uzayına (1 boyutlu, 2 boyutlu, ...) uygulanabilir. Bu sınıf / tür nasıl tanımlanabilir?

Sınıf şablonlarının parametreler olarak gerçek değerlere sahip olabileceği C ++ 'da bu kolay olurdu, ancak Java'da bu lüksümüz yok.

Bu sorunu çözmek için kullanılabileceğini düşünebileceğim iki yaklaşım şunlardır:

1. Derleme zamanında olası her bir vakanın uygulanması.

   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;
       }
   }

   Bu çözüm açıkça çok zaman alıcıdır ve kodlanması son derece sıkıcıdır. Bu örnekte çok kötü görünmüyor, ancak gerçek kodumda, her biri dört boyuta kadar (x, y, z ve w) birden çok uygulamaya sahip vektörlerle uğraşıyorum. Her bir vektörün sadece 500'e ihtiyacı olmasına rağmen şu anda 2.000'den fazla kod satırım var.

2. Çalışma zamanında parametrelerin belirtilmesi.

   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];
       }
   }

   Ne yazık ki bu çözüm, kod performansını incitir, önceki çözümden daha karışık kodla sonuçlanır ve derleme zamanında güvenli değildir (derleme zamanında ele aldığınız vektörün aslında 2 boyutlu olduğu garanti edilemez, Örneğin).

Şu anda Xtend'de gelişiyorum, bu nedenle herhangi bir Xtend çözümü varsa, bunlar da kabul edilebilir.

Bu gibi durumlarda, kod üretimi kullanıyorum.

Gerçek kodu üreten bir java uygulaması yazıyorum. Bu şekilde, bir grup farklı sürümü kolayca oluşturmak için bir for döngüsü kullanabilirsiniz. Kullandığım JavaPoet oldukça basit gerçek kodu oluşturmak için yapar. Daha sonra kod oluşturma çalışmasını derleme sisteminize entegre edebilirsiniz.

Uygulamamda çok benzer bir modelim var ve çözümümüz, çözümünüze benzeyen dinamik boyutta bir harita tutmaktı.

Sadece böyle bir java dizi ilkel ile performans hakkında endişelenmenize gerek yok. 10.000 satıra kadar 100 sütun üst sınır boyutlarında (okuma: 100 boyutlu vektör) matrisler üretiyoruz ve çözüm 2'den çok daha karmaşık vektör türleriyle iyi performans elde ettik. Sınıfı veya işaretleme yöntemlerini son olarak mühürlemeyi deneyebilirsiniz hızlandırmak için, ancak bence erken optimizasyon yapıyorsunuz.

Kodunuzu paylaşmak için bir temel sınıf oluşturarak bazı kod tasarrufları elde edebilirsiniz (performans pahasına):

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}; }
}

Tabii ki, Java-8 + kullanıyorsanız, bunu daha da daraltmak için varsayılan arayüzleri kullanabilirsiniz:

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
}

Nihayetinde JVM ile seçeneklerin dışındasınız. Elbette bunları C ++ 'da yazabilir ve JNA gibi bir şeyleri köprülemek için kullanabilirsiniz - bu, fortran ve intel'in MKL'sini kullandığımız bazı hızlı matris işlemleri için çözümümüzdür - ancak bu sadece işleri yavaşlatacaksa matrisinizi C ++ ile yazmanız ve java'dan getters / setters olarak adlandırmanız yeterlidir.

Vector adında her biri, bir dizi (parametre listesinde boyut adları veya benzeri ile başlatılan veya belki de yalnızca boyut veya boş bir bileşenler dizisi - tasarımınız için bir tam sayı) ve bir lambdadan oluşan bir yapıcıya sahip bir enum düşünün getMagnitude yöntemi. Enum ayrıca setComponents / getComponent (ler) için bir arabirim uygulayabilir ve sadece hangi bileşenin kullanımında olduğunu belirleyerek getX, et al. Her nesneyi kullanmadan önce gerçek bileşen değerleriyle başlatmanız, muhtemelen giriş dizisi boyutunun boyut adları veya boyutuyla eşleşip eşleşmediğini kontrol etmeniz gerekir.

Daha sonra çözümü başka bir boyuta genişletirseniz, enum ve lambda'yı değiştirirsiniz.

Seçenek 2'nize dayanarak, neden sadece bunu yapmıyorsunuz? Ham bazın kullanılmasını önlemek istiyorsanız, soyut yapabilirsiniz:

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);
  }
}

Bir fikir:

1. GetComponent (i) yöntemine dayalı değişken boyutlu uygulamalar sağlayan soyut temel sınıf Vector.
2. Bireysel alt sınıflar Vector1, Vector2, Vector3, tipik durumları kapsayan, Vector yöntemlerini geçersiz kılar.
3. Genel durum için bir DynVector alt sınıfı.
4. Vector1, Vector2 veya Vector3'ü döndürdüğü bildirilen tipik durumlar için sabit uzunluklu argüman listelerine sahip fabrika yöntemleri.
5. Arglist uzunluğuna bağlı olarak Vector1, Vector2, Vector3 veya DynVector örneğini başlatan Vector öğesini döndürdüğünü bildiren bir var-args fabrika yöntemi.

Bu, tipik durumlarda iyi performans ve genel durumdan ödün vermeden derleme zamanı güvenliği (yine de geliştirilebilir) sağlar.

Kod iskeleti:

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;
    }

}