解决代码重复的优化方案

上周公司组织培训Spring 基于注解的数据校验方案，可以节省很大工作量，其实，除了数据校验，还有很多其他方案，可以大幅提高代码的整洁性。如：设计模式、OOP 思想、反射、泛型等等，框架往往需要以同一套算法来应对不同的数据结构，而这些特性可以帮助减少重复代码，提升项目可维护性。

今天，我就从业务代码中最常见的三个需求展开，聊聊如何使用 Java 中的一些高级特性、设计模式，以及一些工具消除重复代码，才能既优雅又高端。通过今天的学习，也希望改变你对业务代码没有技术含量的看法。

1. 利用工厂模式 + 模板方法模式，消除 if…else 和重复代码

假设要开发一个购物车下单的功能，针对不同用户进行不同处理：

普通用户需要收取运费，运费是商品价格的 10%，无商品折扣；
VIP 用户同样需要收取商品价格 10% 的快递费，但购买两件以上相同商品时，第三件开始享受一定折扣；
内部用户可以免运费，无商品折扣。

我们的目标是实现三种类型的购物车业务逻辑，把入参 Map 对象（Key 是商品 ID，Value 是商品数量），转换为出参购物车类型 Cart。

先实现针对普通用户的购物车处理逻辑：

//购物车
@Data
public class Cart {
    //商品清单
    private List<Item> items = new ArrayList<>();
    //总优惠
    private BigDecimal totalDiscount;
    //商品总价
    private BigDecimal totalItemPrice;
    //总运费
    private BigDecimal totalDeliveryPrice;
    //应付总价
    private BigDecimal payPrice;
}
//购物车中的商品
@Data
public class Item {
    //商品ID
    private long id;
    //商品数量
    private int quantity;
    //商品单价
    private BigDecimal price;
    //商品优惠
    private BigDecimal couponPrice;
    //商品运费
    private BigDecimal deliveryPrice;
}
//普通用户购物车处理
public class NormalUserCart {
    public Cart process(long userId, Map<Long, Integer> items) {
        Cart cart = new Cart();

        //把Map的购物车转换为Item列表
        List<Item> itemList = new ArrayList<>();
        items.entrySet().stream().forEach(entry -> {
            Item item = new Item();
            item.setId(entry.getKey());
            item.setPrice(Db.getItemPrice(entry.getKey()));
            item.setQuantity(entry.getValue());
            itemList.add(item);
        });
        cart.setItems(itemList);

        //处理运费和商品优惠
        itemList.stream().forEach(item -> {
            //运费为商品总价的10%
            item.setDeliveryPrice(item.getPrice().multiply(BigDecimal.valueOf(item.getQuantity())).multiply(new BigDecimal("0.1")));
            //无优惠
            item.setCouponPrice(BigDecimal.ZERO);
        });

        //计算商品总价
        cart.setTotalItemPrice(cart.getItems().stream().map(item -> item.getPrice().multiply(BigDecimal.valueOf(item.getQuantity()))).reduce(BigDecimal.ZERO, BigDecimal::add));
        //计算运费总价
        cart.setTotalDeliveryPrice(cart.getItems().stream().map(Item::getDeliveryPrice).reduce(BigDecimal.ZERO, BigDecimal::add));
        //计算总优惠
        cart.setTotalDiscount(cart.getItems().stream().map(Item::getCouponPrice).reduce(BigDecimal.ZERO, BigDecimal::add));
        //应付总价=商品总价+运费总价-总优惠
        cart.setPayPrice(cart.getTotalItemPrice().add(cart.getTotalDeliveryPrice()).subtract(cart.getTotalDiscount()));
        return cart;
    }
}

然后实现针对 VIP 用户的购物车逻辑。与普通用户购物车逻辑的不同在于，VIP 用户能享受同类商品多买的折扣。所以，这部分代码只需要额外处理多买折扣部分：

public class VipUserCart {


    public Cart process(long userId, Map<Long, Integer> items) {
        ...


        itemList.stream().forEach(item -> {
            //运费为商品总价的10%
            item.setDeliveryPrice(item.getPrice().multiply(BigDecimal.valueOf(item.getQuantity())).multiply(new BigDecimal("0.1")));
            //购买两件以上相同商品，第三件开始享受一定折扣
            if (item.getQuantity() > 2) {
                item.setCouponPrice(item.getPrice()
                        .multiply(BigDecimal.valueOf(100 - Db.getUserCouponPercent(userId)).divide(new BigDecimal("100")))
                       .multiply(BigDecimal.valueOf(item.getQuantity() - 2)));
            } else {
                item.setCouponPrice(BigDecimal.ZERO);
            }
        });


        ...
        return cart;
    }
}

最后是免运费、无折扣的内部用户，同样只是处理商品折扣和运费时的逻辑差异：

public class InternalUserCart {


    public Cart process(long userId, Map<Long, Integer> items) {
        ...

        itemList.stream().forEach(item -> {
            //免运费
            item.setDeliveryPrice(BigDecimal.ZERO);
            //无优惠
            item.setCouponPrice(BigDecimal.ZERO);
        });

        ...
        return cart;
    }
}

对比一下代码量可以发现，三种购物车 70% 的代码是重复的。原因很简单，虽然不同类型用户计算运费和优惠的方式不同，但整个购物车的初始化、统计总价、总运费、总优惠和支付价格的逻辑都是一样的。

正如我们开始时提到的，代码重复本身不可怕，可怕的是漏改或改错。比如，写 VIP 用户购物车的同学发现商品总价计算有 Bug，不应该是把所有 Item 的 price 加在一起，而是应该把所有 Item 的 price*quantity 加在一起。

这时，他可能会只修改 VIP 用户购物车的代码，而忽略了普通用户、内部用户的购物车中，重复的逻辑实现也有相同的 Bug。

有了三个购物车后，我们就需要根据不同的用户类型使用不同的购物车了。如下代码所示，使用三个 if 实现不同类型用户调用不同购物车的 process 方法：

@GetMapping("wrong")
public Cart wrong(@RequestParam("userId") int userId) {
    //根据用户ID获得用户类型
    String userCategory = Db.getUserCategory(userId);
    //普通用户处理逻辑
    if (userCategory.equals("Normal")) {
        NormalUserCart normalUserCart = new NormalUserCart();
        return normalUserCart.process(userId, items);
    }
    //VIP用户处理逻辑
    if (userCategory.equals("Vip")) {
        VipUserCart vipUserCart = new VipUserCart();
        return vipUserCart.process(userId, items);
    }
    //内部用户处理逻辑
    if (userCategory.equals("Internal")) {
        InternalUserCart internalUserCart = new InternalUserCart();
        return internalUserCart.process(userId, items);
    }

    return null;
}

电商的营销玩法是多样的，以后势必还会有更多用户类型，需要更多的购物车。我们就只能不断增加更多的购物车类，一遍一遍地写重复的购物车逻辑、写更多的 if 逻辑吗？

当然不是，相同的代码应该只在一处出现！

如果我们熟记抽象类和抽象方法的定义的话，这时或许就会想到，是否可以把重复的逻辑定义在抽象类中，三个购物车只要分别实现不同的那份逻辑呢？

其实，这个模式就是模板方法模式。我们在父类中实现了购物车处理的流程模板，然后把需要特殊处理的地方留空白也就是留抽象方法定义，让子类去实现其中的逻辑。由于父类的逻辑不完整无法单独工作，因此需要定义为抽象类。

如下代码所示，AbstractCart 抽象类实现了购物车通用的逻辑，额外定义了两个抽象方法让子类去实现。其中，processCouponPrice 方法用于计算商品折扣，processDeliveryPrice 方法用于计算运费。

public abstract class AbstractCart {
    //处理购物车的大量重复逻辑在父类实现
    public Cart process(long userId, Map<Long, Integer> items) {

        Cart cart = new Cart();

        List<Item> itemList = new ArrayList<>();
        items.entrySet().stream().forEach(entry -> {
            Item item = new Item();
            item.setId(entry.getKey());
            item.setPrice(Db.getItemPrice(entry.getKey()));
            item.setQuantity(entry.getValue());
            itemList.add(item);
        });
        cart.setItems(itemList);
        //让子类处理每一个商品的优惠
        itemList.stream().forEach(item -> {
            processCouponPrice(userId, item);
            processDeliveryPrice(userId, item);
        });
        //计算商品总价
        cart.setTotalItemPrice(cart.getItems().stream().map(item -> item.getPrice().multiply(BigDecimal.valueOf(item.getQuantity()))).reduce(BigDecimal.ZERO, BigDecimal::add));
        //计算总运费
cart.setTotalDeliveryPrice(cart.getItems().stream().map(Item::getDeliveryPrice).reduce(BigDecimal.ZERO, BigDecimal::add));
        //计算总折扣
cart.setTotalDiscount(cart.getItems().stream().map(Item::getCouponPrice).reduce(BigDecimal.ZERO, BigDecimal::add));
        //计算应付价格
cart.setPayPrice(cart.getTotalItemPrice().add(cart.getTotalDeliveryPrice()).subtract(cart.getTotalDiscount()));
        return cart;
    }

    //处理商品优惠的逻辑留给子类实现
    protected abstract void processCouponPrice(long userId, Item item);
    //处理配送费的逻辑留给子类实现
    protected abstract void processDeliveryPrice(long userId, Item item);
}

有了这个抽象类，三个子类的实现就非常简单了。普通用户的购物车 NormalUserCart，实现的是 0 优惠和 10% 运费的逻辑：

@Service(value = "NormalUserCart")
public class NormalUserCart extends AbstractCart {

    @Override
    protected void processCouponPrice(long userId, Item item) {
        item.setCouponPrice(BigDecimal.ZERO);
    }

    @Override
    protected void processDeliveryPrice(long userId, Item item) {
        item.setDeliveryPrice(item.getPrice()
                .multiply(BigDecimal.valueOf(item.getQuantity()))
                .multiply(new BigDecimal("0.1")));
    }
}

VIP 用户的购物车 VipUserCart，直接继承了 NormalUserCart，只需要修改多买优惠策略：

@Service(value = "VipUserCart")
public class VipUserCart extends NormalUserCart {

    @Override
    protected void processCouponPrice(long userId, Item item) {
        if (item.getQuantity() > 2) {
            item.setCouponPrice(item.getPrice()
                    .multiply(BigDecimal.valueOf(100 - Db.getUserCouponPercent(userId)).divide(new BigDecimal("100")))
                    .multiply(BigDecimal.valueOf(item.getQuantity() - 2)));
        } else {
            item.setCouponPrice(BigDecimal.ZERO);
        }
    }
}

内部用户购物车 InternalUserCart 是最简单的，直接设置 0 运费和 0 折扣即可：

@Service(value = "InternalUserCart")
public class InternalUserCart extends AbstractCart {
    @Override
    protected void processCouponPrice(long userId, Item item) {
        item.setCouponPrice(BigDecimal.ZERO);
    }

    @Override
    protected void processDeliveryPrice(long userId, Item item) {
        item.setDeliveryPrice(BigDecimal.ZERO);
    }
}

抽象类和三个子类的实现关系图，如下所示：

是不是比三个独立的购物车程序简单了很多呢？接下来，我们再看看如何能避免三个 if 逻辑。

或许你已经注意到了，定义三个购物车子类时，我们在 @Service 注解中对 Bean 进行了命名。既然三个购物车都叫 XXXUserCart，那我们就可以把用户类型字符串拼接 UserCart 构成购物车 Bean 的名称，然后利用 Spring 的 IoC 容器，通过 Bean 的名称直接获取到 AbstractCart，调用其 process 方法即可实现通用。

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其实，这就是工厂模式，只不过是借助 Spring 容器实现罢了：

@GetMapping("right")
public Cart right(@RequestParam("userId") int userId) {
    String userCategory = Db.getUserCategory(userId);
    AbstractCart cart = (AbstractCart) applicationContext.getBean(userCategory + "UserCart");
    return cart.process(userId, items);
}

试想，之后如果有了新的用户类型、新的用户逻辑，是不是完全不用对代码做任何修改，只要新增一个 XXXUserCart 类继承 AbstractCart，实现特殊的优惠和运费处理逻辑就可以了？

这样一来，我们就利用工厂模式 + 模板方法模式，不仅消除了重复代码，还避免了修改既有代码的风险。这就是设计模式中的开闭原则：对修改关闭，对扩展开放。

2. 利用注解 + 反射消除重复代码

是不是有点兴奋了，业务代码居然也能 OOP 了。我们再看一个三方接口的调用案例，同样也是一个普通的业务逻辑。

假设银行提供了一些 API 接口，对参数的序列化有点特殊，不使用 JSON，而是需要我们把参数依次拼在一起构成一个大字符串。

按照银行提供的 API 文档的顺序，把所有参数构成定长的数据，然后拼接在一起作为整个字符串。
因为每一种参数都有固定长度，未达到长度时需要做填充处理：
- 字符串类型的参数不满长度部分需要以下划线右填充，也就是字符串内容靠左；
- 数字类型的参数不满长度部分以 0 左填充，也就是实际数字靠右；
- 货币类型的表示需要把金额向下舍入 2 位到分，以分为单位，作为数字类型同样进行左填充。
对所有参数做 MD5 操作作为签名（为了方便理解，Demo 中不涉及加盐处理）。

比如，创建用户方法和支付方法的定义是这样的：

代码很容易实现，直接根据接口定义实现填充操作、加签名、请求调用操作即可：

public class BankService {

    //创建用户方法
    public static String createUser(String name, String identity, String mobile, int age) throws IOException {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        //字符串靠左，多余的地方填充_
        stringBuilder.append(String.format("%-10s", name).replace(' ', '_'));
        //字符串靠左，多余的地方填充_
        stringBuilder.append(String.format("%-18s", identity).replace(' ', '_'));
        //数字靠右，多余的地方用0填充
        stringBuilder.append(String.format("%05d", age));
        //字符串靠左，多余的地方用_填充
        stringBuilder.append(String.format("%-11s", mobile).replace(' ', '_'));
        //最后加上MD5作为签名
        stringBuilder.append(DigestUtils.md2Hex(stringBuilder.toString()));
        return Request.Post("http://localhost:45678/reflection/bank/createUser")
                .bodyString(stringBuilder.toString(), ContentType.APPLICATION_JSON)
                .execute().returnContent().asString();
    }
    
    //支付方法
    public static String pay(long userId, BigDecimal amount) throws IOException {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        //数字靠右，多余的地方用0填充
        stringBuilder.append(String.format("%020d", userId));
        //金额向下舍入2位到分，以分为单位，作为数字靠右，多余的地方用0填充
        stringBuilder.append(String.format("%010d", amount.setScale(2, RoundingMode.DOWN).multiply(new BigDecimal("100")).longValue()));
        //最后加上MD5作为签名
        stringBuilder.append(DigestUtils.md2Hex(stringBuilder.toString()));
        return Request.Post("http://localhost:45678/reflection/bank/pay")
                .bodyString(stringBuilder.toString(), ContentType.APPLICATION_JSON)
                .execute().returnContent().asString();
    }
}

可以看到，这段代码的重复粒度更细：

三种标准数据类型的处理逻辑有重复，稍有不慎就会出现 Bug；
处理流程中字符串拼接、加签和发请求的逻辑，在所有方法重复；
实际方法的入参的参数类型和顺序，不一定和接口要求一致，容易出错；
代码层面针对每一个参数硬编码，无法清晰地进行核对，如果参数达到几十个、上百个，出错的概率极大。

那应该如何改造这段代码呢？没错，就是要用注解和反射！

使用注解和反射这两个武器，就可以针对银行请求的所有逻辑均使用一套代码实现，不会出现任何重复。

要实现接口逻辑和逻辑实现的剥离，首先需要以 POJO 类（只有属性没有任何业务逻辑的数据类）的方式定义所有的接口参数。比如，下面这个创建用户 API 的参数：

@Data
public class CreateUserAPI {
    private String name;
    private String identity;
    private String mobile;
    private int age;
}

有了接口参数定义，我们就能通过自定义注解为接口和所有参数增加一些元数据。如下所示，我们定义一个接口 API 的注解 BankAPI，包含接口 URL 地址和接口说明：

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.TYPE)
@Documented
@Inherited
public @interface BankAPI {
    String desc() default "";
    String url() default "";
}

然后，我们再定义一个自定义注解 @BankAPIField，用于描述接口的每一个字段规范，包含参数的次序、类型和长度三个属性：

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.FIELD)
@Documented
@Inherited
public @interface BankAPIField {
    int order() default -1;
    int length() default -1;
    String type() default "";
}

接下来，注解就可以发挥威力了。

如下所示，我们定义了 CreateUserAPI 类描述创建用户接口的信息，通过为接口增加 @BankAPI 注解，来补充接口的 URL 和描述等元数据；通过为每一个字段增加 @BankAPIField 注解，来补充参数的顺序、类型和长度等元数据：

@BankAPI(url = "/bank/createUser", desc = "创建用户接口")
@Data
public class CreateUserAPI extends AbstractAPI {
    @BankAPIField(order = 1, type = "S", length = 10)
    private String name;
    @BankAPIField(order = 2, type = "S", length = 18)
    private String identity;
    @BankAPIField(order = 4, type = "S", length = 11) //注意这里的order需要按照API表格中的顺序
    private String mobile;
    @BankAPIField(order = 3, type = "N", length = 5)
    private int age;
}

另一个 PayAPI 类也是类似的实现：

@BankAPI(url = "/bank/pay", desc = "支付接口")
@Data
public class PayAPI extends AbstractAPI {
    @BankAPIField(order = 1, type = "N", length = 20)
    private long userId;
    @BankAPIField(order = 2, type = "M", length = 10)
    private BigDecimal amount;
}

这 2 个类继承的 AbstractAPI 类是一个空实现，因为这个案例中的接口并没有公共数据可以抽象放到基类。

通过这 2 个类，我们可以在几秒钟内完成和 API 清单表格的核对。理论上，如果我们的核心翻译过程（也就是把注解和接口 API 序列化为请求需要的字符串的过程）没问题，只要注解和表格一致，API 请求的翻译就不会有任何问题。

以上，我们通过注解实现了对 API 参数的描述。接下来，我们再看看反射如何配合注解实现动态的接口参数组装：

第 3 行代码中，我们从类上获得了 BankAPI 注解，然后拿到其 URL 属性，后续进行远程调用。
第 6~9 行代码，使用 stream 快速实现了获取类中所有带 BankAPIField 注解的字段，并把字段按 order 属性排序，然后设置私有字段反射可访问。
第 12~38 行代码，实现了反射获取注解的值，然后根据 BankAPIField 拿到的参数类型，按照三种标准进行格式化，将所有参数的格式化逻辑集中在了这一处。
第 41~48 行代码，实现了参数加签和请求调用。

private static String remoteCall(AbstractAPI api) throws IOException {
    //从BankAPI注解获取请求地址
    BankAPI bankAPI = api.getClass().getAnnotation(BankAPI.class);
    bankAPI.url();
    StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
    Arrays.stream(api.getClass().getDeclaredFields()) //获得所有字段
            .filter(field -> field.isAnnotationPresent(BankAPIField.class)) //查找标记了注解的字段
            .sorted(Comparator.comparingInt(a -> a.getAnnotation(BankAPIField.class).order())) //根据注解中的order对字段排序
            .peek(field -> field.setAccessible(true)) //设置可以访问私有字段
            .forEach(field -> {
                //获得注解
                BankAPIField bankAPIField = field.getAnnotation(BankAPIField.class);
                Object value = "";
                try {
                    //反射获取字段值
                    value = field.get(api);
                } catch (IllegalAccessException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //根据字段类型以正确的填充方式格式化字符串
                switch (bankAPIField.type()) {
                    case "S": {
                        stringBuilder.append(String.format("%-" + bankAPIField.length() + "s", value.toString()).replace(' ', '_'));
                        break;
                    }
                    case "N": {
                        stringBuilder.append(String.format("%" + bankAPIField.length() + "s", value.toString()).replace(' ', '0'));
                        break;
                    }
                    case "M": {
                        if (!(value instanceof BigDecimal))
                            throw new RuntimeException(String.format("{} 的 {} 必须是BigDecimal", api, field));
                        stringBuilder.append(String.format("%0" + bankAPIField.length() + "d", ((BigDecimal) value).setScale(2, RoundingMode.DOWN).multiply(new BigDecimal("100")).longValue()));
                        break;
                    }
                    default:
                        break;
                }
            });
    //签名逻辑
   stringBuilder.append(DigestUtils.md2Hex(stringBuilder.toString()));
    String param = stringBuilder.toString();
    long begin = System.currentTimeMillis();
    //发请求
    String result = Request.Post("http://localhost:45678/reflection" + bankAPI.url())
            .bodyString(param, ContentType.APPLICATION_JSON)
            .execute().returnContent().asString();
    log.info("调用银行API {} url:{} 参数:{} 耗时:{}ms", bankAPI.desc(), bankAPI.url(), param, System.currentTimeMillis() - begin);
    return result;
}

可以看到，所有处理参数排序、填充、加签、请求调用的核心逻辑，都汇聚在了 remoteCall 方法中。有了这个核心方法，BankService 中每一个接口的实现就非常简单了，只是参数的组装，然后调用 remoteCall 即可。

//创建用户方法
public static String createUser(String name, String identity, String mobile, int age) throws IOException {
    CreateUserAPI createUserAPI = new CreateUserAPI();
    createUserAPI.setName(name);
    createUserAPI.setIdentity(identity);
    createUserAPI.setAge(age);
    createUserAPI.setMobile(mobile);
    return remoteCall(createUserAPI);
}
//支付方法
public static String pay(long userId, BigDecimal amount) throws IOException {
    PayAPI payAPI = new PayAPI();
    payAPI.setUserId(userId);
    payAPI.setAmount(amount);
    return remoteCall(payAPI);
}

其实，许多涉及类结构性的通用处理，都可以按照这个模式来减少重复代码。

反射给予了我们在不知晓类结构的时候，按照固定的逻辑处理类的成员；而注解给了我们为这些成员补充元数据的能力，使得我们利用反射实现通用逻辑的时候，可以从外部获得更多我们关心的数据。

总结

第一种代码重复是，有多个并行的类实现相似的代码逻辑。我们可以考虑提取相同逻辑在父类中实现，差异逻辑通过抽象方法留给子类实现。使用类似的模板方法把相同的流程和逻辑固定成模板，保留差异的同时尽可能避免代码重复。同时，可以使用 Spring 的 IoC 特性注入相应的子类，来避免实例化子类时的大量 if…else 代码。

第二种代码重复是，使用硬编码的方式重复实现相同的数据处理算法。我们可以考虑把规则转换为自定义注解，作为元数据对类或对字段、方法进行描述，然后通过反射动态读取这些元数据、字段或调用方法，实现规则参数和规则定义的分离。也就是说，把变化的部分也就是规则的参数放入注解，规则的定义统一处理。