[Day 4] 類別與結構你選誰？

11th鐵人賽 python golang scala rust

ryanyang1221

2019-09-21 12:59:08

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今天的主題是建立一個 Class Person(不過我們待會就會看到不是每個語言都有所謂的 Class)，而 Person class 有一個屬性是 age，當建立 Instance 時，Constructor 會吃一個參數叫做 initialAge，並把 initialAge 設給 age。如果 initialAge 是負的，就會把 age 設成 0。這個 Class 有兩個方法，第一個是 yearPasses()，會把 age 增加 1；第一個方法是 amIOld()，會根據年齡印出不同的值。那我們就開始吧！

Scala

package com.ryan.scala.oop

object Person {
    def getPerson(initialAge: Int) =
        if (initialAge < 0) new Person(0) else new Person(initialAge)

    def apply(initialAge: Int) =
        if (initialAge < 0) new Person(0) else new Person(initialAge)
}

class Person(val age: Int) {
    import Person._

    def amIOld(): Unit = {
        age match {
            case a if 0 to 12 contains a => println("You are young.")
            case a if 13 to 17 contains a => println("You are a teenager.")
            case _ => println("You are old.")
        }
    }

    def yearPasses(): Person = getPerson(age + 1)
}

object Solution {
    def main(args: Array[String]) {
        val p0 = Person.getPerson(17)
        val p1 = Person(17)
        p1.amIOld()
        val p2 = p1.yearPasses()
        p2.amIOld()
    }
}

首先我們可以看到我們宣告了一個 class Person(val age: Int) ， age 是 constructor parameter，而 age 前面有 val 表示 age 是可以在外部被存取的，例如 a = new Person(1); print(a.age) 會印出 1，但如果 age 前面沒有 val 則反之無法外部存取，但要注意的是，我們是用 val表示 age是不可以被修改的。先不管目前裡頭宣告的兩個 method，其實當我們 initiate 一個新的 instance 時，Class 大括號內的所有內容都會被執行，可以視為是一個 constructor。當然我們也可以自定義甚至 overload constructor，實際上是宣告一個 this 的 method，但在 Scala 我不建議這樣用，我們將會使用 Factory Pattern。
現在來講為什麼 Class 的上面，又有一個 Object Person 。這個 Object Person 叫做 Class Person 的 companion object，我們可以在這 Object裡頭定義變數和方法，效果就好像是 Class 的 static variables 和 static methods。而我們可以在這個 Object 定義 Factory method，來幫助我們做一些處理後產生新的 instance，就如同這裡的 getPerson Method，我們根據給的參數做一些判斷來生出不同的 instance。那 apply 又是什麼呢？這是 Scala 提供的語法糖，當我們要使用 apply 這個 method 時，可以不用寫出 apply ，也就是本來如果我們要 Person.apply(..) ，可以直接寫成 Person(..) ，所以可以看到當我們在 main 裡面宣告 p1 時，是直接寫 val p1 = Person(17) 。這也讓 getPerson 和 apply 是相同的效果囉，所以我們會傾向寫成 apply 的這種形式。以後我們有機會會介紹。
Scala 還有一個東西叫做 case class，就是在宣告 Class 的時候，多加上了 case 這個關鍵字，會幫我們自動生成其 Companion object，以及 apply method 囉！(可參考這個和這個)
最後來看看 yearPasses() 這個函數，正常來說，這個函數執行之後應該是會把 instance 的 attribute age 加 1，但是我們這裡的 age 是 immutable，所以在 Scala 這種 Functional paradigm 的語言，我們盡量都讓所有東西是 immutable，好處是可以避免 Side effect (每次執行的結果都是可以預期的)。所以這裡的 yearPasses() 是直接產生一個新的 instance，然後 age 是本來的加 1 囉！
以上的程式結果如下。和你想得一樣嗎？

You are a teenager.
You are old.

Python 3

class Person:
    def __init__(self, initialAge):
        if initialAge < 0:
          self.age = 0
        else:
          self.age = initialAge
          
    def amIOld(self): 
        if 0 <= self.age < 13:
            print('You are young.')
        elif 13 <= self.age < 18:
            print('You are a teenager.')
        else:
            print('You are old.')
            
    def yearPasses(self): 
        self.age += 1
        
p1 = Person(17)
p1.amIOld()
p1.yearPasses()
p1.amIOld()

首先我們先來看 Python 的 constructor，也就是 def __init__(self, initialAge) 。這裡表示當我們在 initialize Person 的 instance 時，必須要給入一個參數也就是 initialAge ，而我們可以在裡頭去對我們的參數做一切處理並對初始化一個 instance。 self 指的就是這個 instance 本身，我們直接用 self.age 就表示給這個 instance 一個屬性叫 age 。之後我們如果要 access age ，就用 <instance_name>.age 就可以了。
amIOld 這個 method 就不特別講，基本上就是根據 age 印出不同內容。而 yearPasses 我們每次執行就會把 age 的值再加 1。
接著我們來看為什麼每一個 method 都一定要有第一個參數 self 呢？這其實是個 Python 的語法糖所致。當我們例如用 p1.yearPasses() 時，真正會執行的是 Person.yearPasses(p1) ，這也是為什麼 Class 內的 Method 都一定要有 self 當第一個參數啦！那麼為什麼 __init__ 也需要 self 參數呢？我們不是還沒做 initialize，為什麼就有 instance 可以當第一個參數？(雞生蛋生雞)，那是因為當一個 instance 被創建的時候其實是先 call __new__ 這個 method，而這個 method 才是真正地把 instance 給建立起來，然後才 call __init__ 去幫我們初始化。至於是誰 call __new__ 的呢？嘿嘿，那就是每個 Class 的爸爸 (Class 的 Class) Object 的 __call__ Method 啦！至於為什麼 __call__ 會被 call 到呢？留給大家去研究研究囉！(提示： <class_name>(<arguments>) 這樣寫其實是會做什麼？)
以上會印出的結果是：

You are a teenager.
You are old.

Golang

package main 
import "fmt"

type person struct {
	age int
}

func NewPerson(initialAge int) *person {
  var age int
  if initialAge < 0 {
    age = 0
  } else {
    age = initialAge
  }
  return &person{age: age}
}

func (p *person) amIOld() {
    fmt.Println(p.age)
    if p.age > 18 {
        fmt.Println("You are old.")
    } else if p.age < 18 && p.age >= 13 {
        fmt.Println("You are a teenager.")
    } else {
        fmt.Println("You are young.")
    }
}

func (p *person) yearPasses() {
    p.age += 1
}

func main() {
  p1 := NewPerson(17)
  p1.amIOld()
  p1.yearPasses()
  p1.amIOld()
}

在 Golang，並沒有所謂的 Class，而是 Struct。Struct 並不像 Class 有屬性、有方法，而是只有多個有名字的欄位，就像是我們這裡定義， type Person struct 有一個欄位叫做 age 而且型別是 int 。而 Golang 的 Struct 也沒有所謂的 constructor，而我們能用的方式就是定義一個 Function，來作為 Factory function。就像這裡的 func NewPerson(initialAge int) *person ，我們在 Function 裡面處理一些邏輯後去產生一個 instance，如同這 Function 的最後一行 return &person{age: age} 。 person{age: age} 是表示我們要產生一個 Struct person 的 instance，而且屬性 age 等於 var age 。最後我們看到有個 & 在 person 前面，表示我們不是回傳 instance 本身，而是回傳 instance 的 pointer，也就是這個 instance 的位址。
接著我們看到 func (p *person) yearPasses() ，這個 Function 就是讓我們可以把一個 person instance 的 age 加 1。但我們看到 func 的後面不是直接接 Function 名，而是有 (p *person) ，這是為什麼呢？這部分在 Golang 叫做 receiver，如果像我們這邊是 *person 表示這是個 function with pointer receiver，但如果今天是 (p person) 就是 function with value receiver。
yearPasses 這時就是一個會接收 *person 的 Function。既然都接收了，當然可以在 Function 裡頭用囉！(Function 當然也還是可以自己定義參數)，就像這個 Function 裡頭的 p.age += 1 。至於要怎麼 call 這個 Function，就如同 main裡頭的 p1.yearPasses() ，這時候我們就可以直接用 instance 或是 instance 的 pointer 來 invoke yearPasses() 啦。什麼？這裡不是定義 pointer receiver 嗎? 怎麼直接用 instance 也行？對！沒錯，也可以唷！這是 Golang 開的方便之門。但是如果今天不是 receiver，而是參數的話，那就不能把 pointer of instance 和 instance 混用囉 (例如 func xxx(p *person) 那麼參數就一定要給 pointer)
最後我們來講 value receiver 和 pointer receiver 的差別，其實就是類似 call by value 和 call by reference 的差別。例如說如果我們的 yearPasses 不是接收 *person 而是 person ，那麼在 invoke 這個 Function 的時候，會是拷貝一份 person 到這個 Function 裡頭來使用，那麼既然是拷貝的，就算加了一百歲，也不過是這個拷貝上去增加，本來的 person 是不會改變的。但如果是 *person ，那就會傳 reference 進來這個 Function，而改到的也會跟外面的是同一份，就達到我們想要修改同一個 instance 的目的啦！
順道一提就是除了 struct ，Golang 有另一個可以定義的 Type 叫 interface ，裡頭定義不含實作的方法，而假使我們定義了一個 struct 並且實作了這個 interface 所有的方法，那麼我們這個 struct 就可以在任何需要這個 interface 作為參數的 Function 被當作參數傳入然後被使用囉！也就是說，假使我們的 struct 實作了 interface，就可以跟別人的東西接在一起囉！棒棒！
最後附上程式執行完的結果。

17
You are a teenager.
18
You are old.

Rust

#![allow(non_snake_case)]

struct Person {
    age: i32
}

impl Person {
    fn new(initialAge: i32) -> Person {
        if initialAge < 0 {
            println!("Age is not valid, setting age to 0.");
            return Person { age: 0 };
        }
        return Person { age: initialAge };
        
    }
 
    fn amIOld(&self) {
        if self.age < 13 { println!("You are young.") } 
        else if self.age >= 13 && self.age < 18 { println!("You are a teenager.") }
        else { println!("You are old.") }
    }
 
    fn yearPasses(&mut self) {
        self.age += 1;
    }
}

fn main() {
    let mut p = Person::new(17);
    p.amIOld();
    p.yearPasses();
    p.amIOld();
}

首先看到第一行 #![allow(non_snake_case)] 這是因為 Rust 建議變數和函式的命名要用 snake case (也就是用底線區隔的命名法)，但是因為 Hackerrank 自帶部分的 code 是用 non-snake case，所以加上 #![allow(non_snake_case)] 可以跟 Compiler 說不用去檢查命名的部分唷！不然會有 warning。
Rust 和 Golang 類似，也是一樣是 Struct，而沒有 class。所以跟 Golang 一樣，我們也是定義了一個 Method 來幫助我們進行一些邏輯處理後來生出 struct Person 的 instance，也就是 new 這個 Function。在看 new 之前，我們先看到 impl Person 這個區塊，這邊的意思就是我們要來實作 Person 的方法啦！
我們來看這裡面分別有 new , amIOld 跟 yearPasses 三個 Function，其中只有 new 的參數沒有 self ，這樣的 Function 我們稱做 associated function，也就是 Person 這個 Struct 本身關聯的函數，就不會先產生 instance 再來 invoke，就是有點 static 的味道。而使用的方式就像是 main 裡頭的 let mut p = Person::new(age) 啦！而 new 的功能就是 return 給我們一個 instance of Person( Person {age: initialAge})。另外兩個有 self 的 Function，先來看兩個 Function 基本上的參數是 &self ， self 就是 instance 本身 (跟 Python 很像)，至於一定要有 & 就是之前所解釋的，跟所有權有關囉！(可參考 day 0)。而其中 yearPasses 因為會改變到 instance 本身，所以要傳入的參數必須明確指定是可被修改的，所以就會是 &mut self 。而這兩個 Function 因為第一個參數都是 self，所以可以直接透過 instance 用 . 來 invoke 囉！
有趣的是，同一個 Struct 可以有很多 impl 的區塊唷！所以我們可以把不同作用的 Function 包在不同的 impl 區塊，相當自由。而 impl 也會用來讓 Struct 去實作 Trait，簡單來說，一個 Trait 裡頭就定義了很多函式特徵 (尚未實作的函式)，通常會把一些 shared behavior 包在一個 Trait 讓很多 Struct 可以去實作。如果現在有興趣的話可以參考這裡囉！
以上程式會印出