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Java 泛型详解

开心果烁烁 2017-03-14 00:00:00 28 3094

摘要: 泛型是Java中一个非常重要的知识点,在Java集合类框架中泛型被广泛应用。本文我们将从零开始来看一下Java泛型的设计,将会涉及到通配符处理,以及让人苦恼的类型擦除。

泛型基础

泛型类

我们首先定义一个简单的Box类:

public class Box {    private String object;    public void set(String object) { this.object = object; }    public String get() { return object; }
}

这是最常见的做法,这样做的一个坏处是Box里面现在只能装入String类型的元素,今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素,还必须要另外重写一个Box,代码得不到复用,使用泛型可以很好的解决这个问题。

public class Box {    // T stands for 'Type'
    private T t;    public void set(T t) { this.t = t; }    public T get() { return t; }
}

这样我们的Box类便可以得到复用,我们可以将T替换成任何我们想要的类型:

Box integerBox = new Box();
Box doubleBox = new Box();
Box stringBox = new Box();

泛型方法

看完了泛型类,接下来我们来了解一下泛型方法。声明一个泛型方法很简单,只要在返回类型前面加上一个类似的形式就行了:

public class Util {    public static  boolean compare(Pair p1, Pair p2) {        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
               p1.getValue().equals(p2.getValue());
    }
}public class Pair {    private K key;    private V value;    public Pair(K key, V value) {        this.key = key;        this.value = value;
    }    public void setKey(K key) { this.key = key; }    public void setValue(V value) { this.value = value; }    public K getKey()   { return key; }    public V getValue() { return value; }
}

我们可以像下面这样去调用泛型方法:

Pair p1 = new Pair<>(1, 'apple');
Pair p2 = new Pair<>(2, 'pear');
boolean same = Util.compare(p1, p2);

或者在Java1.7/1.8利用type inference,让Java自动推导出相应的类型参数:

Pair p1 = new Pair<>(1, 'apple');
Pair p2 = new Pair<>(2, 'pear');
boolean same = Util.compare(p1, p2);

边界符

现在我们要实现这样一个功能,查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数,我们可以这样实现:

public static  int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;    for (T e : anArray)        if (e > elem)  // compiler error
            ++count;    return count;
}

但是这样很明显是错误的,因为除了short, int, double, long, float, byte, char等原始类型,其他的类并不一定能使用操作符>,所以编译器报错,那怎么解决这个问题呢?答案是使用边界符。

public interface Comparable {    public int compareTo(T o);
}

做一个类似于下面这样的声明,这样就等于告诉编译器类型参数T代表的都是实现了Comparable接口的类,这样等于告诉编译器它们都至少实现了compareTo方法。

public static > int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;    for (T e : anArray)        if (e.compareTo(elem) > 0)
            ++count;    return count;
}

通配符

在了解通配符之前,我们首先必须要澄清一个概念,还是借用我们上面定义的Box类,假设我们添加一个这样的方法:

public void boxTest(Box n) { /* ... */ }

那么现在Box n允许接受什么类型的参数?我们是否能够传入Box或者Box呢?答案是否定的,虽然Integer和Double是Number的子类,但是在泛型中Box或者BoxBox之间并没有任何的关系。这一点非常重要,接下来我们通过一个完整的例子来加深一下理解。

首先我们先定义几个简单的类,下面我们将用到它:

class Fruit {}class Apple extends Fruit {}class Orange extends Fruit {}

下面这个例子中,我们创建了一个泛型类Reader,然后在f1()中当我们尝试Fruit f = fruitReader.readExact(apples);编译器会报错,因为ListList之间并没有任何的关系。

public class GenericReading {    static List apples = Arrays.asList(new Apple());    static List fruit = Arrays.asList(new Fruit());    static class Reader {        T readExact(List list) {            return list.get(0);
        }
    }    static void f1() {
        Reader fruitReader = new Reader();        // Errors: List cannot be applied to List.
        // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
    }    public static void main(String[] args) {
        f1();
    }
}

但是按照我们通常的思维习惯,Apple和Fruit之间肯定是存在联系,然而编译器却无法识别,那怎么在泛型代码中解决这个问题呢?我们可以通过使用通配符来解决这个问题:

static class CovariantReader {    T readCovariant(List list) {        return list.get(0);
    }
}static void f2() {
    CovariantReader fruitReader = new CovariantReader();
    Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
    Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}public static void main(String[] args) {
    f2();
}

这样就相当与告诉编译器, fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足Fruit的子类就行(包括Fruit自身),这样子类和父类之间的关系也就关联上了。

PECS原则

上面我们看到了类似的用法,利用它我们可以从list里面get元素,那么我们可不可以往list里面add元素呢?我们来尝试一下:

public class GenericsAndCovariance {    public static void main(String[] args) {        // Wildcards allow covariance:
        List flist = new ArrayList();        // Compile Error: can't add any type of object:
        // flist.add(new Apple())
        // flist.add(new Orange())
        // 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);
    }
}

答案是否定,Java编译器不允许我们这样做,为什么呢?对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为List flist它自身可以有多种含义:

List flist = new ArrayList();List flist = new ArrayList();List flist = new ArrayList();
  • 当我们尝试add一个Apple的时候,flist可能指向new ArrayList();

  • 当我们尝试add一个Orange的时候,flist可能指向new ArrayList();

  • 当我们尝试add一个Fruit的时候,这个Fruit可以是任何类型的Fruit,而flist可能只想某种特定类型的Fruit,编译器无法识别所以会报错。

所以对于实现了的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素,而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。

如果我们要add元素应该怎么做呢?可以使用

public class GenericWriting {    static List apples = new ArrayList();    static List fruit = new ArrayList();    static  void writeExact(List list, T item) {        list.add(item);
    }    static void f1() {
        writeExact(apples, new Apple());
        writeExact(fruit, new Apple());
    }    static  void writeWithWildcard(List list, T item) {        list.add(item)
    }    static void f2() {
        writeWithWildcard(apples, new Apple());
        writeWithWildcard(fruit, new Apple());
    }    public static void main(String[] args) {
        f1(); f2();
    }
}

这样我们可以往容器里面添加元素了,但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了,原因很简单,我们继续从编译器的角度考虑这个问题,对于List list,它可以有下面几种含义:

List list = new ArrayList();List list = new ArrayList();List list = new ArrayList();

当我们尝试通过list来get一个Apple的时候,可能会get得到一个Fruit,这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。

根据上面的例子,我们可以总结出一条规律,”Producer Extends, Consumer Super”:

  • “Producer Extends” – 如果你需要一个只读List,用它来produce T,那么使用? extends T

  • “Consumer Super” – 如果你需要一个只写List,用它来consume T,那么使用? super T

  • 如果需要同时读取以及写入,那么我们就不能使用通配符了。

如何阅读过一些Java集合类的源码,可以发现通常我们会将两者结合起来一起用,比如像下面这样:

public class Collections {    public static  void copy(List dest, List src) {        for (int i=0; i  标签 
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