第8章 类和模块

来源、版次与运行边界

“第8章 类和模块”以作者维护的第 5 版支持页核定 2016 年 3 月 12 日首刷、两位作者、松本行弘监修以及四部分 23 章目录；逐章程序清单、练习答案和勘误只作为公开支持材料，不被冒充为原书全文。

对“第8章 类和模块”而言，中文解释、示例、交互、练习和答案均为独立教学重写；站内中文章名是与官方 23 章顺序对应的课程映射，不宣称是日文小节的逐字翻译，也不从公开程序清单复制整段实现。

“第8章 类和模块”固定在 Ruby 2.3 语境；Ruby 2.3.0 官方文档与稳定版发布说明用于核对当时可用的语言和标准库行为。现代 Ruby 的差异只能另列迁移说明，不能静默改变本页示例的版本结论。

围绕“怎样用类不变量和方法查找链解释继承、模块混入与单例方法？”，本页验收“第8章 类和模块的输入样本、接收者与方法、关键状态前后值、正常与失败输出、异常或退出状态，以及复位后的再次运行记录。”。先预测正常轨迹，再只注入“混入同名方法后不核对 ancestors，错误实现静默覆盖原行为”；若无法定位第一处状态分岔，就拒绝当前解释。

从“把数据装进class”这个不足开始

Class的价值不是把若干instance variables包起来，而是让每个object在构造后始终满足业务不变量，并通过有限messages改变state。决定constructor、accessor、visibility和error policy。

先预测：给余额类直接attr_accessor :balance是否足够？它允许任何caller写负数、String或nil，绕过存取规则。应暴露deposit/withdraw等意图方法，只给真正不破坏约束的数据reader。

类是什么：类和实例

Class对象保存instance method definitions并能构造instances。Instance通过其class和ancestor chain查找method，每个instance拥有自己的instance variables。Class本身也是class，因此class method通常是class object的singleton method。

instance_of?只匹配精确class，is_a?/kind_of?沿class与included modules判断。业务protocol通常不应先硬性class-check；只在serialization/security boundary或不同domain type确需分流时使用。

继承

Subclass继承method lookup关系，不复制superclass object state。class PremiumAccount < Account表示is-a替换承诺：任何期望Account protocol的caller都应能安全使用PremiumAccount。限制继承。

如果只是“使用另一个对象的能力”，composition通常比inheritance更清楚。深层hierarchy容易让state owner、super顺序和override不变量分散；先写protocol与tests，再决定继承是否合适。

创建类：class语句与initialize方法

class Name ... end打开或reopen一个Class constant。Name.new通常allocate instance并调用private initialize；initialize返回值不会替代new返回的instance。Constructor应验证required data并建立完整state，避免“半初始化后再调用setup”。

class Account
  attr_reader :balance
 
  def initialize(balance = 0)
    amount = Integer(balance)
    raise ArgumentError, "negative balance" if amount < 0
 
    @balance = amount
  end
 
  def deposit(amount)
    value = Integer(amount)
    raise ArgumentError, "amount must be positive" unless value > 0
 
    @balance += value
  end
end

Constructor做I/O会让对象创建慢且失败边界混乱；可用factory先加载/解析，再把validated value交给initialize。若对象有多种清晰来源，命名factory如from_csv比一个接受任意options的constructor更可读。

实例变量与实例方法

@balance附着于当前receiver，未初始化读取为nil。不要依赖这个宽松行为：constructor建立所有required instance variables，optional state也用明确nil semantics。Instance method默认访问当前self的instance variables，无法直接读取另一个object的@balance，除非reflection绕过边界。

存取器

attr_reader生成reader，attr_writer生成writer，attr_accessor两者皆有。Accessor仍是method，可在后续自定义validation，但一开始公开writer就形成API。鼓励intent methods。

特殊变量self

self是当前receiver：顶层、class body、class method、instance method和block中可能不同。Setter调用常需self.name = value，否则name = value被解析为local assignment。Private method通常不能用显式receiver调用，self也不例外（setter语法等版本细节需测试）。

类方法、常量与类变量

Class method定义在class object上，适合factory/registry查询；class body中的constant提供namespace内固定绑定。@@variable沿inheritance hierarchy共享，subclass写入可能影响其它class。若每个class应独立持有state，使用class-instance variable，并明确subclass是否inherit default。

class Parser
  FORMATS = [:json, :csv].freeze
  @default_format = :json
 
  class << self
    attr_reader :default_format
 
    def supports?(format)
      FORMATS.include?(format)
    end
  end
end

Mutable registry作为class state仍需同步、reset test hook与lifecycle。Constant Array freeze只冻结外层；这里Symbol elements immutable。第4章已建立binding与object mutation差异，本章把owner放进class object。

限制方法的调用

public是外部API，private通常只能以implicit receiver调用，protected允许相关instances间以receiver方式协作。帮助缩小可依赖surface，不是security sandbox。

Visibility可用关键字影响后续definitions，或private :method_name指定。Public method应少而稳定；private method可重构，但tests最好经public behavior验证，避免锁死实现。Protected较少使用，账户间比较等同class/private helper常是典型场景。

扩展类：在原有类的基础上添加方法

再次写class String ... end会reopen现有class，新增或替换method，影响process中所有instances。Core extension可能与未来Ruby/library方法冲突；优先wrapper、module function、refinement（版本/作用域需验证）或domain value object。

Monkey patch确有必要时记录owner、目标version、method是否已存在，并有contract tests与移除计划。Load order决定最后definition，部署环境差异可能只在特定require顺序出现。

继承中的override与super

Override改变subclass behavior，super继续ancestor lookup。Bare super转发当前arguments/block，super()不传arguments；差异会导致constructor或wrapper的隐蔽arity bug。必须由测试覆盖。

alias与undef

alias new_name old_name在执行时复制当前method entry到新name；以后重定义old不自动更新alias。alias_method是Module method，便于dynamic name。Wrapper更常用prepend+super，保留lookup可组合性。

undef method_name使当前class/module阻止该name继续沿ancestor lookup，remove_method只删除当前owner definition并可能暴露ancestor implementation。两者语义不同，framework patch尤其要谨慎。

单例类

每个object可有singleton class，singleton methods定义在其中并优先于普通class lookup。def object.label或class << object打开它。Class methods本质上也是class object的singleton methods。

Singleton method适合测试替身或一个对象的窄适配，但大量per-object behavior会让method owner难追踪且影响对象可复制/序列化。通常把策略放独立object/module并注入更透明。

模块是什么：Mixin与命名空间

Module不能像Class那样new普通instances，却可组织constants/methods并进入method lookup chain。区分namespace和Mixin。

Namespace如Billing::Invoice避免constant collision，并让file layout/load path有清楚映射。Mixin则假设receiver提供某些primitive methods，再组合出higher-level behavior；这个隐式requirement必须写成protocol并在include时验证。

创建模块与Mix-in

module Printable
  def print_to(output)
    output.puts(to_text)
  end
end
 
class Receipt
  include Printable
 
  def initialize(total)
    @total = total
  end
 
  def to_text
    "total=#{@total}"
  end
end

Printable要求receiver响应to_text，并提供print_to。这是duck-typed internal protocol。Module中的constants按lexical/qualified rules访问；module method可用module_function或extend self创建，但两者visibility/copy语义不同，要按目标设计。

查找方法的规则

简化lookup顺序为object singleton class、prepended modules、class、included modules、superclass及其同类链；实际还有BasicObject等终点。Include顺序和多次include会影响chain，使用ancestors验证，不靠记忆猜。

extend方法

object.extend(Mod)把Mod加入该object singleton class的ancestor chain，使module instance methods成为该object可调用methods。SomeClass.extend(Mod)因此常提供class-level API；它不同于include给SomeClass instances加methods。

面向对象程序设计与鸭子类型

Object-oriented design围绕协作objects与messages组织，封装state变化，使用polymorphism替代散布type switch。Duck typing问“能否履行protocol”，不要求共同superclass。远比respond_to?更完整。

例如output只需响应write/puts，可传File、StringIO或test spy；clock只需提供monotonic time，测试可传fake。Contract tests应对至少两个独立implementations运行，证明caller依赖行为而非具体class。遇到NoMethodError时先查protocol是否未满足，不要立即加入宽泛class check。

正式节点与章专属证据

• 类和实例 ：第 1 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 继承 ：第 2 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• class语句与initialize方法 ：第 3 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 实例变量与实例方法 ：第 4 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 存取器 ：第 5 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 特殊变量self ：第 6 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 限制方法的调用 ：第 7 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 扩展类 ：第 8 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• alias与undef ：第 9 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 单例类 ：第 10 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• Mix-in与命名空间 ：第 11 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 查找方法的规则 ：第 12 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• extend方法 ：第 13 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。
• 鸭子类型 ：第 14 个正式节点要能回到“公开操作保持对象有效，方法来源和 self 在每个调用点都可追踪。”，并说明故障发生前后的第一处差异。

本章回顾：Class维护不变量，Module组合名称与行为

1. Initialize建立object invariant，instance methods维护state，accessor只暴露必要能力。
2. Self决定当前receiver；class/instance state与@@hierarchy sharing必须分清owner。
3. Visibility缩小稳定API，inheritance须满足substitution；reopen、alias/undef和singleton class会改变lookup。
4. Include、extend、prepend和super把module/class放在不同lookup位置，使用ancestors与method owner验证。
5. Duck typing依赖完整behavior protocol；namespace组织constants，Mixin在明确requirement上复用behavior。

练习与答案

名词解释