Запечатанные типы Java в деталях

Запечатанные классы и интерфейсы (окончательно введённые в Java 17) позволяют типу явно указать, какие именно типы имеют право его расширять или реализовывать. Вместо открытой иерархии, которую может унаследовать кто угодно, вы задаёте закрытое множество, о котором компилятор знает всё. Именно эта единственная гарантия — только эти и никакие другие — лежит в основе исчерпывающего сопоставления с образцом и делает иерархии классов, моделирующие данные, безопасными.

Запечатанный тип является естественным партнёром записей (records). Records дают вам данные; запечатывание даёт вам закрытое множество вариантов. Вместе они привносят в обычный Java алгебраические типы данных («тип-сумма», знакомый из Kotlin, Rust или Scala) и меняют поведение switch по иерархии.

В этой главе рассматривается, как запечатать тип с помощью permits, какой обязательный выбор — final / sealed / non-sealed — должен сделать каждый подтип, почему закрытая иерархия открывает исчерпывающий switch без default, и как запечатывание сочетается с деконструкцией записей и охраняемыми образцами. Глава опирается на материал об интерфейсах и наследовании.

Запечатывание типа с помощью permits

Тип становится запечатанным благодаря модификатору sealed и предложению permits, в котором перечислены все прямые подтипы. Никакой другой класс не сможет войти в иерархию, даже если он находится в том же пакете. Разрешённые подтипы должны быть доступны запечатанному типу и в безымянном модуле располагаться в одном пакете (или в одном модуле).

public sealed interface Payment
        permits Cash, Card, BankTransfer {}

public record Cash(int amount) implements Payment {}
public record Card(String number, int amount) implements Payment {}
public record BankTransfer(String iban, int amount) implements Payment {}

Если подтип находится в том же исходном файле, предложение permits необязательно — компилятор выведет его из файла. Явно указывать permits нужно только тогда, когда подтипы находятся в отдельных файлах.

// Same file: permits is inferred, so it can be omitted.
sealed interface Expr {
    record Num(int value) implements Expr {}
    record Add(Expr left, Expr right) implements Expr {}
}

Правило final, sealed и non-sealed

Каждый разрешённый подтип обязан сам указать, как закрыта его часть иерархии. Компилятор требует выбора: каждый прямой подтип должен быть объявлен final, sealed или non-sealed. Варианта «ничего не указывать» нет — отсутствие модификатора является ошибкой компиляции.

public sealed class Shape permits Circle, Polygon, Freeform {}

public final class Circle extends Shape {}          // closed here
public sealed class Polygon extends Shape            // closed, but to a set
        permits Triangle, Rectangle {}
public non-sealed class Freeform extends Shape {}    // reopened: any subclass allowed

public final class Triangle extends Polygon {}
public final class Rectangle extends Polygon {}

non-sealed — это аварийный выход: он позволяет одной ветви в иначе закрытой иерархии оставаться открытой для расширения. Используйте его с осторожностью, поскольку это лишает данную ветвь гарантии исчерпанности.

Почему запечатывание делает switch исчерпывающим

Выгода от закрытия иерархии в том, что компилятор знает полный список вариантов. Оператор switch по запечатанному типу, покрывающий все разрешённые подтипы, является исчерпывающим — писать ветку default не нужно. Более того, если кто-то позднее добавит новый разрешённый подтип, каждый неисчерпывающий switch перестанет компилироваться — компилятор укажет на код, забывший учесть новый вариант.

sealed interface Payment permits Cash, Card, BankTransfer {}
record Cash(int amount) implements Payment {}
record Card(String number, int amount) implements Payment {}
record BankTransfer(String iban, int amount) implements Payment {}

static String fee(Payment p) {
    return switch (p) {                 // no default needed
        case Cash c         -> "no fee";
        case Card c         -> "2% card fee";
        case BankTransfer b -> "flat fee";
    };
}

Уберите ветку BankTransfer — и код не скомпилируется: "the switch expression does not cover all possible input values." Именно эта проверка на этапе компиляции является главной причиной запечатывать иерархию.

Records, деконструкция и охранные выражения

Поскольку разрешённые подтипы, как правило, являются records, запечатывание можно сочетать с образцами деконструкции записей и охраняемыми образцами (when) — полное описание см. в разделе о сопоставлении с образцом. Деконструкция привязывает компоненты записи прямо в метке case; охранное выражение добавляет логическое условие. Порядок важен: более конкретные охраняемые варианты должны идти перед неохраняемым запасным вариантом для того же типа.

sealed interface Shape permits Circle, Rectangle {}
record Circle(double radius) implements Shape {}
record Rectangle(double width, double height) implements Shape {}

static String describe(Shape s) {
    return switch (s) {
        case Circle(double r) when r > 10        -> "big circle";
        case Circle(double r)                    -> "circle r=" + r;
        case Rectangle(double w, double h) when w == h -> "square";
        case Rectangle(double w, double h)       -> "rectangle";
    };
}

Компилятор по-прежнему считает это исчерпывающим: каждый разрешённый подтип покрыт хотя бы одной неохраняемой меткой, поэтому весь switch является полным, даже если некоторые метки охраняемые.

Развёрнутый пример

Запускаемый пример ниже объединяет всё вместе: запечатанный интерфейс Shape с тремя подтипами-records, исчерпывающий switch для вычисления площади, деконструирующий switch с охраной для описания, а также просмотр метаданных запечатывания через рефлексию. Используется только JDK, поэтому пример работает без изменений.

Что важно вынести из запуска:

• В switch для площади нет ветки default — поскольку Shape запечатан, покрытие всех трёх records уже является исчерпывающим.
• describe выводит big circle r=12.0 только для окружности с радиусом 12, доказывая, что охрана when r > 10 проверяется перед неохраняемой меткой Circle.
• Прямоугольник со сторонами 5 выводит square side=5.0, показывая, что охрана w == h побеждает простой вариант Rectangle, следующий за ней.
• Суммарная площадь (525.96) накапливается по всем подтипам-records, подтверждая, что один полиморфный цикл обрабатывает всю закрытую иерархию.
• Shape.class.isSealed() возвращает true, а getPermittedSubclasses() перечисляет Circle, Rectangle и Triangle — множество permits сохраняется в метаданных во время выполнения.

Практика