Java 泛型总结(三):通配符的使用

简介

前两篇文章介绍了泛型的基本用法、类型擦除以及泛型数组。在泛型的使用中,还有个重要的东西叫通配符,本文介绍通配符的使用。

这个系列的另外两篇文章:

数组的协变

在了解通配符之前,先来了解一下数组。Java 中的数组是协变的,什么意思?看下面的例子:

class Fruit {} class Apple extends Fruit {} class Jonathan extends Apple {} class Orange extends Fruit {}  public class CovariantArrays {     public static void main(String[] args) {                Fruit[] fruit = new Apple[10];         fruit[0] = new Apple(); // OK         fruit[1] = new Jonathan(); // OK         // Runtime type is Apple[], not Fruit[] or Orange[]:         try {             // Compiler allows you to add Fruit:             fruit[0] = new Fruit(); // ArrayStoreException         } catch(Exception e) { System.out.println(e); }         try {             // Compiler allows you to add Oranges:             fruit[0] = new Orange(); // ArrayStoreException         } catch(Exception e) { System.out.println(e); }         } } /* Output: java.lang.ArrayStoreException: Fruit java.lang.ArrayStoreException: Orange *///:~

main 方法中的第一行,创建了一个 Apple 数组并把它赋给 Fruit 数组的引用。这是有意义的,AppleFruit 的子类,一个 Apple 对象也是一种 Fruit 对象,所以一个 Apple 数组也是一种 Fruit 的数组。这称作数组的协变,Java 把数组设计为协变的,对此是有争议的,有人认为这是一种缺陷。

尽管 Apple[] 可以 “向上转型” 为 Fruit[],但数组元素的实际类型还是 Apple,我们只能向数组中放入 Apple或者 Apple 的子类。在上面的代码中,向数组中放入了 Fruit 对象和 Orange 对象。对于编译器来说,这是可以通过编译的,但是在运行时期,JVM 能够知道数组的实际类型是 Apple[],所以当其它对象加入数组的时候就会抛出异常。

泛型设计的目的之一是要使这种运行时期的错误在编译期就能发现,看看用泛型容器类来代替数组会发生什么:

// Compile Error: incompatible types: ArrayList<Fruit> flist = new ArrayList<Apple>(); 

上面的代码根本就无法编译。当涉及到泛型时, 尽管 AppleFruit 的子类型,但是 ArrayList<Apple> 不是 ArrayList<Fruit> 的子类型,泛型不支持协变。

使用通配符

从上面我们知道,List<Number> list = ArrayList<Integer> 这样的语句是无法通过编译的,尽管 IntegerNumber 的子类型。那么如果我们确实需要建立这种 “向上转型” 的关系怎么办呢?这就需要通配符来发挥作用了。

上边界限定通配符

利用 <? extends Fruit> 形式的通配符,可以实现泛型的向上转型:

public class GenericsAndCovariance {     public static void main(String[] args) {         // Wildcards allow covariance:         List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();         // Compile Error: can’t add any type of object:         // flist.add(new Apple());         // flist.add(new Fruit());         // flist.add(new Object());         flist.add(null); // Legal but uninteresting         // We know that it returns at least Fruit:         Fruit f = flist.get(0);     } }

上面的例子中, flist 的类型是 List<? extends Fruit>,我们可以把它读作:一个类型的 List, 这个类型可以是继承了 Fruit 的某种类型。注意,这并不是说这个 List 可以持有 Fruit 的任意类型。通配符代表了一种特定的类型,它表示 “某种特定的类型,但是 flist 没有指定”。这样不太好理解,具体针对这个例子解释就是,flist 引用可以指向某个类型的 List,只要这个类型继承自 Fruit,可以是 Fruit 或者 Apple,比如例子中的 new ArrayList<Apple>,但是为了向上转型给 flistflist 并不关心这个具体类型是什么。

如上所述,通配符 List<? extends Fruit> 表示某种特定类型 ( Fruit 或者其子类 ) 的 List,但是并不关心这个实际的类型到底是什么,反正是 Fruit 的子类型,Fruit 是它的上边界。那么对这样的一个 List 我们能做什么呢?其实如果我们不知道这个 List 到底持有什么类型,怎么可能安全的添加一个对象呢?在上面的代码中,向 flist 中添加任何对象,无论是 Apple 还是 Orange 甚至是 Fruit 对象,编译器都不允许,唯一可以添加的是 null。所以如果做了泛型的向上转型 (List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>()),那么我们也就失去了向这个 List 添加任何对象的能力,即使是 Object 也不行。

另一方面,如果调用某个返回 Fruit 的方法,这是安全的。因为我们知道,在这个 List 中,不管它实际的类型到底是什么,但肯定能转型为 Fruit,所以编译器允许返回 Fruit

了解了通配符的作用和限制后,好像任何接受参数的方法我们都不能调用了。其实倒也不是,看下面的例子:

public class CompilerIntelligence {     public static void main(String[] args) {         List<? extends Fruit> flist =         Arrays.asList(new Apple());         Apple a = (Apple)flist.get(0); // No warning         flist.contains(new Apple()); // Argument is ‘Object’         flist.indexOf(new Apple()); // Argument is ‘Object’                  //flist.add(new Apple());   无法编译      } }

在上面的例子中,flist 的类型是 List<? extends Fruit>,泛型参数使用了受限制的通配符,所以我们失去了向其中加入任何类型对象的例子,最后一行代码无法编译。

但是 flist 却可以调用 containsindexOf 方法,它们都接受了一个 Apple 对象做参数。如果查看 ArrayList 的源代码,可以发现 add() 接受一个泛型类型作为参数,但是 containsindexOf 接受一个 Object 类型的参数,下面是它们的方法签名:

public boolean add(E e) public boolean contains(Object o) public int indexOf(Object o) 

所以如果我们指定泛型参数为 <? extends Fruit> 时,add() 方法的参数变为 ? extends Fruit,编译器无法判断这个参数接受的到底是 Fruit 的哪种类型,所以它不会接受任何类型。

然而,containsindexOf 的类型是 Object,并没有涉及到通配符,所以编译器允许调用这两个方法。这意味着一切取决于泛型类的编写者来决定那些调用是 “安全” 的,并且用 Object 作为这些安全方法的参数。如果某些方法不允许类型参数是通配符时的调用,这些方法的参数应该用类型参数,比如 add(E e)

当我们自己编写泛型类时,上面介绍的就有用了。下面编写一个 Holder 类:

public class Holder<T> {     private T value;     public Holder() {}     public Holder(T val) { value = val; }     public void set(T val) { value = val; }     public T get() { return value; }     public boolean equals(Object obj) {     return value.equals(obj);     }     public static void main(String[] args) {         Holder<Apple> Apple = new Holder<Apple>(new Apple());         Apple d = Apple.get();         Apple.set(d);         // Holder<Fruit> Fruit = Apple; // Cannot upcast         Holder<? extends Fruit> fruit = Apple; // OK         Fruit p = fruit.get();         d = (Apple)fruit.get(); // Returns ‘Object’         try {             Orange c = (Orange)fruit.get(); // No warning         } catch(Exception e) { System.out.println(e); }         // fruit.set(new Apple()); // Cannot call set()         // fruit.set(new Fruit()); // Cannot call set()         System.out.println(fruit.equals(d)); // OK     } } /* Output: (Sample) java.lang.ClassCastException: Apple cannot be cast to Orange true *///:~ 

Holer 类中,set() 方法接受类型参数 T 的对象作为参数,get() 返回一个 T 类型,而 equals() 接受一个 Object 作为参数。fruit 的类型是 Holder<? extends Fruit>,所以set()方法不会接受任何对象的添加,但是 equals() 可以正常工作。

下边界限定通配符

通配符的另一个方向是 “超类型的通配符“: ? super TT 是类型参数的下界。使用这种形式的通配符,我们就可以 ”传递对象” 了。还是用例子解释:

public class SuperTypeWildcards {     static void writeTo(List<? super Apple> apples) {         apples.add(new Apple());         apples.add(new Jonathan());         // apples.add(new Fruit()); // Error     } }

writeTo 方法的参数 apples 的类型是 List<? super Apple>,它表示某种类型的 List,这个类型是 Apple 的基类型。也就是说,我们不知道实际类型是什么,但是这个类型肯定是 Apple 的父类型。因此,我们可以知道向这个 List 添加一个 Apple 或者其子类型的对象是安全的,这些对象都可以向上转型为 Apple。但是我们不知道加入 Fruit 对象是否安全,因为那样会使得这个 List 添加跟 Apple 无关的类型。

在了解了子类型边界和超类型边界之后,我们就可以知道如何向泛型类型中 “写入” ( 传递对象给方法参数) 以及如何从泛型类型中 “读取” ( 从方法中返回对象 )。下面是一个例子:

public class Collections {    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src)    {       for (int i=0; i<src.size(); i++)          dest.set(i,src.get(i));    }  }

src 是原始数据的 List,因为要从这里面读取数据,所以用了上边界限定通配符:<? extends T>,取出的元素转型为 Tdest 是要写入的目标 List,所以用了下边界限定通配符:<? super T>,可以写入的元素类型是 T 及其子类型。

无边界通配符

还有一种通配符是无边界通配符,它的使用形式是一个单独的问号:List<?>,也就是没有任何限定。不做任何限制,跟不用类型参数的 List 有什么区别呢?

List<?> list 表示 list 是持有某种特定类型的 List,但是不知道具体是哪种类型。那么我们可以向其中添加对象吗?当然不可以,因为并不知道实际是哪种类型,所以不能添加任何类型,这是不安全的。而单独的 List list ,也就是没有传入泛型参数,表示这个 list 持有的元素的类型是 Object,因此可以添加任何类型的对象,只不过编译器会有警告信息。

总结

通配符的使用可以对泛型参数做出某些限制,使代码更安全,对于上边界和下边界限定的通配符总结如下:

  • 使用 List<? extends C> list 这种形式,表示 list 可以引用一个 ArrayList ( 或者其它 List 的 子类 ) 的对象,这个对象包含的元素类型是 C 的子类型 ( 包含 C 本身)的一种。
  • 使用 List<? super C> list 这种形式,表示 list 可以引用一个 ArrayList ( 或者其它 List 的 子类 ) 的对象,这个对象包含的元素就类型是 C 的超类型 ( 包含 C 本身 ) 的一种。

大多数情况下泛型的使用比较简单,但是如果自己编写支持泛型的代码需要对泛型有深入的了解。这几篇文章介绍了泛型的基本用法、类型擦除、泛型数组以及通配符的使用,涵盖了最常用的要点,泛型的总结就写到这里。

参考

  • Java 编程思想

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