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Java 泛型總結(jié)(三):通配符的使用

itvincent / 839人閱讀

簡介

前兩篇文章介紹了泛型的基本用法、類型擦除以及泛型數(shù)組。在泛型的使用中,還有個重要的東西叫通配符,本文介紹通配符的使用。

這個系列的另外兩篇文章:

Java 泛型總結(jié)(一):基本用法與類型擦除

Java 泛型總結(jié)(二):泛型與數(shù)組

數(shù)組的協(xié)變

在了解通配符之前,先來了解一下數(shù)組。Java 中的數(shù)組是協(xié)變的,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,創(chuàng)建了一個 Apple 數(shù)組并把它賦給 Fruit 數(shù)組的引用。這是有意義的,AppleFruit 的子類,一個 Apple 對象也是一種 Fruit 對象,所以一個 Apple 數(shù)組也是一種 Fruit 的數(shù)組。這稱作數(shù)組的協(xié)變,Java 把數(shù)組設(shè)計為協(xié)變的,對此是有爭議的,有人認為這是一種缺陷。

盡管 Apple[] 可以 “向上轉(zhuǎn)型” 為 Fruit[],但數(shù)組元素的實際類型還是 Apple,我們只能向數(shù)組中放入 Apple或者 Apple 的子類。在上面的代碼中,向數(shù)組中放入了 Fruit 對象和 Orange 對象。對于編譯器來說,這是可以通過編譯的,但是在運行時期,JVM 能夠知道數(shù)組的實際類型是 Apple[],所以當(dāng)其它對象加入數(shù)組的時候就會拋出異常。

泛型設(shè)計的目的之一是要使這種運行時期的錯誤在編譯期就能發(fā)現(xiàn),看看用泛型容器類來代替數(shù)組會發(fā)生什么:

// Compile Error: incompatible types:
ArrayList flist = new ArrayList();

上面的代碼根本就無法編譯。當(dāng)涉及到泛型時, 盡管 AppleFruit 的子類型,但是 ArrayList 不是 ArrayList 的子類型,泛型不支持協(xié)變。

使用通配符

從上面我們知道,List list = ArrayList 這樣的語句是無法通過編譯的,盡管 IntegerNumber 的子類型。那么如果我們確實需要建立這種 “向上轉(zhuǎn)型” 的關(guān)系怎么辦呢?這就需要通配符來發(fā)揮作用了。

上邊界限定通配符

利用 形式的通配符,可以實現(xiàn)泛型的向上轉(zhuǎn)型:

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 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 的類型是 List,我們可以把它讀作:一個類型的 List, 這個類型可以是繼承了 Fruit 的某種類型。注意,這并不是說這個 List 可以持有 Fruit 的任意類型。通配符代表了一種特定的類型,它表示 “某種特定的類型,但是 flist 沒有指定”。這樣不太好理解,具體針對這個例子解釋就是,flist 引用可以指向某個類型的 List,只要這個類型繼承自 Fruit,可以是 Fruit 或者 Apple,比如例子中的 new ArrayList,但是為了向上轉(zhuǎn)型給 flistflist 并不關(guān)心這個具體類型是什么。

如上所述,通配符 List 表示某種特定類型 ( Fruit 或者其子類 ) 的 List,但是并不關(guān)心這個實際的類型到底是什么,反正是 Fruit 的子類型,Fruit 是它的上邊界。那么對這樣的一個 List 我們能做什么呢?其實如果我們不知道這個 List 到底持有什么類型,怎么可能安全的添加一個對象呢?在上面的代碼中,向 flist 中添加任何對象,無論是 Apple 還是 Orange 甚至是 Fruit 對象,編譯器都不允許,唯一可以添加的是 null。所以如果做了泛型的向上轉(zhuǎn)型 (List flist = new ArrayList()),那么我們也就失去了向這個 List 添加任何對象的能力,即使是 Object 也不行。

另一方面,如果調(diào)用某個返回 Fruit 的方法,這是安全的。因為我們知道,在這個 List 中,不管它實際的類型到底是什么,但肯定能轉(zhuǎn)型為 Fruit,所以編譯器允許返回 Fruit

了解了通配符的作用和限制后,好像任何接受參數(shù)的方法我們都不能調(diào)用了。其實倒也不是,看下面的例子:

public class CompilerIntelligence {
    public static void main(String[] args) {
        List 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());   無法編譯

    }
}

在上面的例子中,flist 的類型是 List,泛型參數(shù)使用了受限制的通配符,所以我們失去了向其中加入任何類型對象的例子,最后一行代碼無法編譯。

但是 flist 卻可以調(diào)用 containsindexOf 方法,它們都接受了一個 Apple 對象做參數(shù)。如果查看 ArrayList 的源代碼,可以發(fā)現(xiàn) add() 接受一個泛型類型作為參數(shù),但是 containsindexOf 接受一個 Object 類型的參數(shù),下面是它們的方法簽名:

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

所以如果我們指定泛型參數(shù)為 時,add() 方法的參數(shù)變?yōu)?? extends Fruit,編譯器無法判斷這個參數(shù)接受的到底是 Fruit 的哪種類型,所以它不會接受任何類型。

然而,containsindexOf 的類型是 Object,并沒有涉及到通配符,所以編譯器允許調(diào)用這兩個方法。這意味著一切取決于泛型類的編寫者來決定那些調(diào)用是 “安全” 的,并且用 Object 作為這些安全方法的參數(shù)。如果某些方法不允許類型參數(shù)是通配符時的調(diào)用,這些方法的參數(shù)應(yīng)該用類型參數(shù),比如 add(E e)

當(dāng)我們自己編寫泛型類時,上面介紹的就有用了。下面編寫一個 Holder 類:

public class Holder {
    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 = new Holder(new Apple());
        Apple d = Apple.get();
        Apple.set(d);
        // Holder Fruit = Apple; // Cannot upcast
        Holder 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 類中,set() 方法接受類型參數(shù) T 的對象作為參數(shù),get() 返回一個 T 類型,而 equals() 接受一個 Object 作為參數(shù)。fruit 的類型是 Holder,所以set()方法不會接受任何對象的添加,但是 equals() 可以正常工作。

下邊界限定通配符

通配符的另一個方向是 “超類型的通配符“: ? super TT 是類型參數(shù)的下界。使用這種形式的通配符,我們就可以 ”傳遞對象” 了。還是用例子解釋:

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

writeTo 方法的參數(shù) apples 的類型是 List,它表示某種類型的 List,這個類型是 Apple 的基類型。也就是說,我們不知道實際類型是什么,但是這個類型肯定是 Apple 的父類型。因此,我們可以知道向這個 List 添加一個 Apple 或者其子類型的對象是安全的,這些對象都可以向上轉(zhuǎn)型為 Apple。但是我們不知道加入 Fruit 對象是否安全,因為那樣會使得這個 List 添加跟 Apple 無關(guān)的類型。

在了解了子類型邊界和超類型邊界之后,我們就可以知道如何向泛型類型中 “寫入” ( 傳遞對象給方法參數(shù)) 以及如何從泛型類型中 “讀取” ( 從方法中返回對象 )。下面是一個例子:

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

src 是原始數(shù)據(jù)的 List,因為要從這里面讀取數(shù)據(jù),所以用了上邊界限定通配符:,取出的元素轉(zhuǎn)型為 Tdest 是要寫入的目標(biāo) List,所以用了下邊界限定通配符:,可以寫入的元素類型是 T 及其子類型。

無邊界通配符

還有一種通配符是無邊界通配符,它的使用形式是一個多帶帶的問號:List,也就是沒有任何限定。不做任何限制,跟不用類型參數(shù)的 List 有什么區(qū)別呢?

List list 表示 list 是持有某種特定類型的 List,但是不知道具體是哪種類型。那么我們可以向其中添加對象嗎?當(dāng)然不可以,因為并不知道實際是哪種類型,所以不能添加任何類型,這是不安全的。而多帶帶的 List list ,也就是沒有傳入泛型參數(shù),表示這個 list 持有的元素的類型是 Object,因此可以添加任何類型的對象,只不過編譯器會有警告信息。

總結(jié)

通配符的使用可以對泛型參數(shù)做出某些限制,使代碼更安全,對于上邊界和下邊界限定的通配符總結(jié)如下:

使用 List list 這種形式,表示 list 可以引用一個 ArrayList ( 或者其它 List 的 子類 ) 的對象,這個對象包含的元素類型是 C 的子類型 ( 包含 C 本身)的一種。

使用 List list 這種形式,表示 list 可以引用一個 ArrayList ( 或者其它 List 的 子類 ) 的對象,這個對象包含的元素就類型是 C 的超類型 ( 包含 C 本身 ) 的一種。

大多數(shù)情況下泛型的使用比較簡單,但是如果自己編寫支持泛型的代碼需要對泛型有深入的了解。這幾篇文章介紹了泛型的基本用法、類型擦除、泛型數(shù)組以及通配符的使用,涵蓋了最常用的要點,泛型的總結(jié)就寫到這里。

參考

Java 編程思想

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