Java 密封类（Sealed Classes）：精准控制继承关系的利器

在传统的 Java 继承体系中，类的扩展几乎是“无政府状态”——任何类只要满足条件就能被继承。这种开放性虽然灵活，却可能导致代码失控，尤其是在定义核心模型时。Java 17 正式引入的 密封类（Sealed Classes） 彻底改变了这一局面，它允许开发者精确控制哪些类可以继承自己。本文将深入探讨密封类的使用场景和实战技巧，助你构建更安全的类层次结构。

一、为什么需要密封类？

1. 传统继承的隐患

假设你设计了一个 Shape 抽象类表示几何图形，并希望只允许 Circle 和 Rectangle 作为其子类。但在传统模式下，任何开发者都可以新增一个 Triangle 类继承 Shape，导致核心逻辑被意外破坏。

2. 密封类的核心思想

通过 permits 关键字明确指定允许继承的子类，其他类无法扩展它。例如：

public abstract sealed class Shape permits Circle, Rectangle {}

二、密封类的基本语法

1. 定义密封类

使用 sealed 关键字声明类，并通过 permits 列出允许的子类：

public sealed class File permits TextFile, ImageFile, BinaryFile {}

2. 约束子类

子类必须是 final、sealed 或 non-sealed：

final：禁止进一步继承
sealed：允许子类继续密封扩展
non-sealed：重新开放继承

// 子类示例
public final class TextFile extends File {}  // 终结继承
public non-sealed class ImageFile extends File {} // 开放继承
public sealed class BinaryFile extends File permits ExecutableFile {} // 继续密封

三、密封类的进阶用法

1. 与 Record 结合

密封类和 Record 是天作之合，适合定义不可变数据模型：

public sealed interface Result<T> permits Success, Failure {
    record Success<T>(T data) implements Result<T> {}
    record Failure<T>(String error) implements Result<T> {}
}

2. 模式匹配（Java 21+）

结合 switch 表达式实现全覆盖判断，避免遗漏分支：

Result<String> result = fetchData();
String output = switch(result) {
    case Success(var data) -> "数据: " + data;
    case Failure(var error) -> "错误: " + error;
    // 无需 default（编译器自动检查完整性）
};

四、实战案例：构建安全的支付系统

需求

设计一个支付网关，仅支持 CreditCardPayment 和 AliPayPayment 两种支付方式，且不允许随意扩展。

实现

// 定义密封接口
public sealed interface PaymentMethod permits CreditCardPayment, AliPayPayment {}

// 具体实现类
public final class CreditCardPayment implements PaymentMethod {
    private String cardNumber;
    // 构造方法、业务逻辑...
}

public final class AliPayPayment implements PaymentMethod {
    private String accountId;
    // 构造方法、业务逻辑...
}

// 使用示例
public class PaymentService {
    public void process(PaymentMethod method) {
        if (method instanceof CreditCardPayment cc) {
            chargeCreditCard(cc);
        } else if (method instanceof AliPayPayment alipay) {
            chargeAlipay(alipay);
        }
        // 无需处理其他类型（编译器确保全覆盖）
    }
}

五、最佳实践与避坑指南

精准控制权限范围
- 将核心领域模型（如订单状态、支付方式）定义为密封类
- 避免在工具类或辅助类中使用密封机制
包级私有限制
密封类与子类通常应在同一包内，或通过模块化控制访问：
```
module my.module {
    exports com.example.model to com.example.impl;
}
```
与旧版本兼容性
- 密封类是 Java 17 正式功能（Java 15-16 需启用预览）
- 使用 Maven/Gradle 配置编译参数：
```
<compilerArgs>
    <arg>--enable-preview</arg>
</compilerArgs>
```

六、总结

密封类为 Java 类型系统带来了三大革命性提升：

增强代码安全性：杜绝意外继承导致的逻辑漏洞
提升可维护性：明确类层次关系，降低认知负担
拥抱模式匹配：为未来声明式编程铺平道路

在微服务和领域驱动设计（DDD）盛行的今天，密封类尤其适合定义核心领域模型。它不仅是语法糖，更是工程实践的进化——让代码在开放与封闭之间找到完美平衡点。