Java 密封类/接口的许可关系是否具有传递性？

本文深入探讨了 Java 密封类和接口中 permits 关键字的含义，并详细解释了其与继承关系之间的区别。通过具体示例，阐明了 permits 仅指定直接子类型，而非传递性的所有子类型。同时，结合 switch 表达式的 exhaustiveness 规则，阐述了类型模式匹配的原理，以及如何利用继承关系实现对密封类层级结构的完整覆盖。

Java 的密封类和接口 (Sealed Classes and Interfaces) 提供了一种限制类或接口的子类型的方式，增强了代码的可维护性和安全性。理解 permits 关键字在密封类/接口中的作用至关重要，尤其是在使用 switch 表达式进行模式匹配时。

permits 关键字的含义

permits 关键字用于指定允许继承或实现的直接子类或接口。需要注意的是，permits 关系并非传递性的。这意味着，如果接口 I1 许可接口 I2，而 I2 许可类 E 和 F，则 I1 仅直接许可 I2，而不直接许可 E 和 F。

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例如：

public sealed interface I1 permits I2, C, D { /*...*/ }
public final class C implements I1 { /*...*/ }
public final class D implements I1 { /*...*/ }

public sealed interface I2 extends I1 permits E, F { /*...*/ }
public final class E implements I2 { /*...*/ }
public final class F implements I2 { /*...*/ }

在此示例中，I1 直接许可 I2、C 和 D。虽然 E 和 F 实现了 I2，而 I2 继承自 I1，但 I1 并不直接许可 E 和 F。 C 和 D 被称为 I1 的 permitted direct subclasses。

Switch 表达式与类型模式匹配

Java 的 switch 表达式允许使用类型模式进行匹配。在上面的示例中，以下 switch 表达式是有效的：

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I1 i1 = // ...
return switch (i1) {
    case C c -> "1";
    case D d -> "2";
    case E e -> "3";
    case F f -> "4";
    default  -> "5";
};

尽管 I1 并不直接许可 E 和 F，但 switch 表达式仍然可以匹配 E 和 F。这是因为类型模式匹配依赖于类型之间的 downcast convertibility。E 和 F 都实现了 I1，因此可以安全地将 I1 的实例向下转型为 E 或 F。 换句话说，E 可以通过 widening reference conversion 转换为 I1。 implements 和 extends 关系具有传递性。

Switch 表达式的 Exhaustiveness

Switch 表达式必须是 exhaustive，这意味着它必须能够处理所有可能的输入值。在上面的示例中，由于存在 default case，因此 switch 表达式始终是 exhaustive 的。

如果省略 default case，则 switch 表达式的 exhaustiveness 将依赖于 permits 关键字。在这种情况下，编译器会检查 switch case 是否覆盖了所有 I1 的 permitted direct subtypes。对于每个 permitted direct subtypes，编译器会递归地进行检查。

例如，考虑以下 switch 表达式（省略 default case）：

I1 i1 = // ...
return switch (i1) {
    case C c -> "1";
    case D d -> "2";
    case E e -> "3";
    case F f -> "4";
};

1. I1 的 permitted direct subtypes 是 I2、C 和 D。
2. switch 表达式包含 C c 和 D d case，因此对于 C 和 D 来说，switch 表达式是 exhaustive 的。
3. 对于 I2，编译器会递归地检查其 permitted direct subtypes，即 E 和 F。
4. switch 表达式包含 E e 和 F f case，因此对于 E 和 F 来说，switch 表达式是 exhaustive 的。
5. 由于 switch 表达式对于 I2、C 和 D 都是 exhaustive 的，因此对于 I1 也是 exhaustive 的。

总结

• permits 关键字用于指定密封类/接口的直接子类型。
• permits 关系不是传递性的。
• Switch 表达式的类型模式匹配依赖于类型之间的 downcast convertibility。
• Switch 表达式必须是 exhaustive 的，编译器会根据 permits 关键字进行检查。

理解 permits 关键字及其与 switch 表达式的关系对于编写安全且可维护的 Java 代码至关重要。 在使用密封类和接口时，请务必仔细考虑类型层级结构，并确保 switch 表达式能够处理所有可能的子类型。

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