初识Java 18-3 泛型

边界

通配符

编译器的能力范畴

逆变性

无界通配符

捕获转换

本笔记参考自：《On Java 中文版》

边界

在泛型中，边界的作用是：在参数类型上增加限制。这么做可以强制执行应用泛型的类型规则，但还有一个更重要的潜在效果，我们可以调用边界类型上的方法了。

若一个泛型参数没有边界，那么我们只能调用其中的Object方法。

为了应用边界的限制，Java复用了extend关键字：

【例子：使用extend规定泛型边界】

interface HasColor {
    java.awt.Color getColor();
}

class WithColor<T extends HasColor> {
    T item;

    WithColor(T item) {
        this.item = item;
    }

    T getItem() {
        return item;
    }

    // 可以调用位于边界上的方法：
    java.awt.Color color() {
        return item.getColor();
    }
}

class Coord {
    public int x, y, z;
}

// 在规定边界时，需要将类排（Coord）在前面，接口（HasColor）排在后面\
// 因此这种写法会失败：
// class WithColorCoord<T extends HasColor & Coord> {}

// 这样才能正确定义多重边界：
class WithColorCoord<T extends Coord & HasColor> {
    T item;

    WithColorCoord(T item) {
        this.item = item;
    }

    T getItem() {
        return item;
    }

    java.awt.Color color() {
        return item.getColor();
    }

    int getX() {
        return item.x;
    }

    int getY() {
        return item.y;
    }

    int getZ() {
        return item.z;
    }
}

interface Weight {
    int weight();
}

// 与继承一样，只能继承一个具体类，但可以实现多个接口：
class Solid<T extends Coord & HasColor & Weight> {
    T item;

    Solid(T item) {this.item = item;}

    T getItem() {return item;}

    java.awt.Color color() {return item.getColor();}

    int getX() {return item.x;}

    int getY() {return item.y;}

    int getZ() {return item.z;}

    int weight() {return item.weight();}
}

class Bounded extends Coord implements HasColor, Weight {
    @Override
    public java.awt.Color getColor() {
        return null;
    }

    @Override
    public int weight() {
        return 0;
    }
}

public class BasicBounds {
    public static void main(String[] args) {
        Solid<Bounded> solid =
                new Solid<>(new Bounded());
        solid.color();
        solid.getY();
        solid.weight();
    }
}

可以通过继承去除上例中的一些冗余代码。继承也可以增加边界的限制：

【例子：使用继承简化代码】

class HoldItem<T> {
    T item;

    HoldItem(T item) {
        this.item = item;
    }

    T getItem() {
        return item;
    }
}

class WithColor2<T extends HasColor>
        extends HoldItem<T> {
    WithColor2(T item) {
        super(item);
    }

    java.awt.Color color() {
        return item.getColor();
    }
}

class WithColorCoord2<T extends Coord & HasColor>
        extends WithColor2<T> {
    WithColorCoord2(T item) {
        super(item);
    }

    int getX() {
        return item.x;
    }

    int getY() {
        return item.y;
    }

    int getZ() {
        return item.z;
    }
}

class Solid2<T extends Coord & HasColor & Weight>
        extends WithColorCoord2<T> {
    Solid2(T item) {
        super(item);
    }

    int weight() {
        return item.weight();
    }
}

public class InheritBounds {
    public static void main(String[] args) {
        Solid2<Bounded> solid2 =
                new Solid2<>(new Bounded());
        solid2.color();
        solid2.getY();
        solid2.weight();
    }
}

Solid2变得更加简洁了。

在这里，每一层的继承都会为对应的类增加边界的限制，同时继承那些来自父类的方法。这样我们就不需要在每个类中重复定义那些代码了。

另外，创建泛型集合时需要注意，我们可以且只可以继承一个接口或类：

// 可以进行的操作：
List<? extends Coord> list;
List<? extends HasColor> list1;
// 不可行的操作：
// List < ? extends HasColor & Weight > list2;

通配符

先看一个例子，将派生类的数组赋值给基类数组的引用：

【例子：数组的特殊行为】

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];
        // 可行的操作：
        fruit[0] = new Apple();
        fruit[1] = new Jonathan();
        // 但运行时的类型是Apple[]，而不是Fruit[]或Orange[]

        try {
            // 编译器允许添加Fruit（父类）：
            fruit[0] = new Fruit();
        } catch (Exception e) { // 但这种操作却会导致ArrayStoreException异常
            System.out.println(e);
        }

        try {
            // 编译器允许添加Orange：
            fruit[0] = new Orange();
        } catch (Exception e) { // 但同样会发生异常
            System.out.println(e);
        }
    }
}

程序执行的结果是：

在这个例子中，我们将派生类Apple的数组赋值给了Fruit数组：

Fruit[] fruit = new Apple[10];

这在继承结构上是合理的。

不过需要注意一点，因为实际的数组类型是Apple[]，所以将基类Fruit放入其中是不合理的。而编译器允许了这个行为，因为从代码上看，这只不过是将Fruit对象赋给了Fruit数组。数组机制能够知道数组的实际类型，因此才会在运行时抛出异常。

数组可以维持其包含的对象的类型规则，这也是为什么上例这种类似“向上转型”的操作能够成功的原因。它在一定程度上能够确保我们不会乱用数组。

尽管我们能够在运行时发现这种不合理的数组赋值。但使用泛型，我们可以在编译时提前进行错误检测：

【例子：泛型的编译时检查】

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class NonCovariantGenerics {
    List<Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
}

编译器会在编译时发现如下的问题：

它告诉我们，我们无法将包含Apple的泛型赋值给包含Fruit的泛型。

之所以会这样，是因为编译器无法掌握足够的信息，它并不知道List<Fruit>和List<Apple>是什么关系（另外，这种关系也不会涉及向上转型，二者并不等价）。

可以发现，在这里我们需要讨论的是集合自身的类型，而不是集合持有的元素类型。

与数组不同，泛型并没有内建的协变性。数组完全由语言自身定义，而泛型的定义却来自于程序员。因此，编译器和运行系统有足够的信息来检查数组，却无法对泛型做到相同的事。

若一定需要在List<Fruit>和List<Apple>之间建立什么关系，可以使用通配符：

【例子：使用通配符建立关系】

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class NonCovariantGenerics {
    public static void main(String[] args) {
        // 可以用通配符提供协变的能力：
        List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<>();

        // 但却不能添加任何类型的数据
        // flist.add(new Apple());
        // flist.add(new Fruit());
        // flist.add(new Object());
        flist.add(null); // 可以添加null，但没什么用

        // 至少能返回一个Fruit对象：
        Fruit f = flist.get(0);
    }
}

显然，这并不意味着flist真的会持有任何Fruit类型，因为<? extends Fruit>实际上表示的是“某种继承自Fruit的类型”。这里存在着一个矛盾：

集合应该持有具体的类型，但flist只要求提供一种没有被确切指定的类型。

换言之，flist所要求的类型并不具体（这是为了能够向上转型为flist做出的牺牲）。

若一个集合并不要求所持有的类型足够具体，这个集合就会失去意义。而若我们并不知道集合持有的具体元素是什么，我们也无法安全地向其中添加元素。

因为这种限制，通配符并不适合用于传入参数的集合。但我们可以将其用于接收一个已经打包好的集合，并从中取出元素。

编译器的能力范畴

按照上面的说法，若使用了通配符，我们似乎无法调用一个带有参数的集合方法了。先看看这个例子：

【例子：调用泛型集合中的含参方法】

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class CompilerIntelligence {
    public static void main(String[] args) {
        List<? extends Fruit> flist =
                Arrays.asList(new Apple());
        Apple a = (Apple) flist.get(0); // 未产生警告
        // 方法中的参数是Object：
        flist.contains(new Apple());
        // 同样，参数也是Object：
        flist.indexOf(new Apple());
    }
}

程序能够顺利执行。这似乎与之前得出的结论相悖——我们可以调用含参的集合方法。这是否是编译器在其中进行调度呢？

答案是否定的，可以观察contains()和indexOf()方法的参数列表：

contains()和indexOf()的参数都是Object的，假若我们调用了flist.add()方法，则会发现：

因为此时add()方法是参数已经变成了? extends Fruit。编译器不会知道应该处理哪种具体的Fruit类型，因此不会接受任何类型。

这里体现了一种思路：作为泛型类的设计者，若我们认为某种调度是“安全的”，那么可以将Object作为其的参数。例如：

【例子：设置“安全”调度的参数】

import java.util.Objects;

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;
    }

    // 使用Object作为参数
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        return o instanceof Holder &&
                Objects.equals(value, ((Holder) o).value);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hashCode(value);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Holder<Apple> apple = new Holder<>(new Apple());
        Apple d = apple.get();
        apple.set(d);

        // 不允许这种操作：
        // Holder<Fruit> fruit = apple;
        // 但允许这种操作：
        Holder<? extends Fruit> fruit = apple;
        Fruit p = fruit.get();
        d = (Apple) fruit.get(); // 返回一个Object，然后再转型
        try {
            Orange c = (Orange) fruit.get();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e);
        }
        // 无法这样调用set()：
        // fruit.set(new Apple());
        // fruit.set(new Fruit());
        System.out.println(fruit.equals(d));
    }
}

程序执行的结果是：

可以看到，Holder<Apple>无法向上转型为Holder<Fruit>，但却可以向上转型为Holder<? extends Fruit>。get()方法和set()方法的使用都会受编译器的限制，值得一提的是，因为get()方法返回了Fruit，所以我们可以手动进行向下转型。

因为equals()方法接受Object，所以它不会受到上述的限制。

逆变性

除extends之外，还可以使用超类通配符（重写了super关键字）。如果说extends关键字可以为泛型添加限制，那么super就是为通配符添加了边界限制，其中的边界限制就是某个类的基类。例如：

<? super MyClass>
<? super T> // 可以使用类型参数
// <T super MyClass> // 但无法为泛型参数设置超类边界

有了超类通配符，就可以向集合中进行写操作了：

【例子：向泛型集合中进行写操作】

import java.util.List;

public class SuperTypeWildcards {
    static void writeTo(List<? super Apple> apples) {
        apples.add(new Apple());
        apples.add(new Jonathan());
        // 但不可以添加基类元素：
        // apples.add(new Fruit());
    }
}

我们可以向apples类型中添加Apple及其的子类型。但由于apples的下界是Apple，所以我们无法安全地先这个泛型集合中添加Fruit。

【例子：总结一下通配符】

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class GenericReading {
    static List<Apple> apples =
            Arrays.asList(new Apple());
    static List<Fruit> fruit =
            Arrays.asList(new Fruit());

    // 调用精确的类型：
    static <T> T readExact(List<T> list) {
        return list.get(0);
    }

    // 兼容各种调用的静态方法：
    static void f1() {
        Apple a = readExact(apples);
        Fruit f = readExact(fruit);
        f = readExact(apples);
    }

    // 类的类型会在其实例化后确定：
    static class Reader<T> {
        T readExact(List<T> list) {
            return list.get(0);
        }
    }

    static void f2() {
        Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<>();
        Fruit f = fruitReader.readExact(fruit);

        // fruitReader的参数类型是Fruit
        // 因此不会接受List<Apple>：
        // Fruit a = fruitReader.readExact(apples);
    }

    // 允许协变：
    static class CovariantReader<T> {
        T readCovariant(List<? extends T> list) {
            return list.get(0);
        }
    }

    static void f3() {
        CovariantReader<Fruit> fruitReader =
                new CovariantReader<>();
        Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
        Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
    }

    public static void main(String[] args) {
        f1();
        f2();
        f3();
    }
}

f1()使用了一个静态的泛型方法readExact()。从f1()中的调用可以看出，readExact()可以兼容不同的方法调用。因此，若可以使用静态的泛型方法，则不一定需要使用到协变。

从f2()中可以看出，泛型类的对象会在被实例化时确定下来。因此fruitReader的类型参数被确定成了Fruit。

无界通配符

无界通配符<?>表示“一个泛型可以持有任何类型”，但在更多时候它是一种装饰，告诉别人我考虑过Java泛型，并确定此处的这个泛型可以适配任何类型。

【例子：无界通配符的使用】

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class UnboundedWildcards2 {
    static Map map1;
    static Map<?, ?> map2;
    static Map<String, ?> map3;

    static void assign1(Map map) {
        map1 = map;
    }

    static void assign2(Map<?, ?> map) {
        map2 = map;
    }

    static void assign3(Map<String, ?> map) {
        map3 = map;
    }

    public static void main(String[] args) {
        assign1(new HashMap());
        assign2(new HashMap());
        // 出现警告：
        assign3(new HashMap());

        assign1(new HashMap<>());
        assign2(new HashMap<>());
        assign3(new HashMap<>());
    }
}

第一次调用的assign3()会会发出警告，可以在编译时添加-Xlint:unchecked来观察这个警告：

编译器似乎不会区分Map和Map<?, ?>。下面的例子会展示出一点区别：

【例子：无界通配符带来的区别】

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class UnboundedWildcards1 {
    static List list1;
    static List<?> list2;
    static List<? extends Object> list3;

    static void assign1(List list) {
        list1 = list;
        list2 = list;

        // 会引发警告：
        list3 = list;
    }

    static void assign2(List<?> list) {
        list1 = list;
        list2 = list;
        list3 = list;
    }

    static void assign3(List<? extends Object> list) {
        list1 = list;
        list2 = list;
        list3 = list;
    }

    public static void main(String[] args) {
        assign1(new ArrayList());
        assign2(new ArrayList());

        // 也会引发警告：
        assign3(new ArrayList());

        assign1(new ArrayList<>());
        assign2(new ArrayList<>());
        assign3(new ArrayList<>());

        // 两种定义都被List<?>接受
        List<?> wildList = new ArrayList();
        wildList = new ArrayList<>();
        assign1(wildList);
        assign2(wildList);
        assign3(wildList);
    }
}

这段代码也会触发一些警告：

这里体现了编译器对List<?>和List<? extends Object>在处理上的不同。

编译器似乎并不关心List和List<?>之间有何区别，因此对它们的处理才会如此相同。然而，尽管这二者都可以被看做List<Object>，但在细节上它们仍有区别，它们实际的指代如下：

List：实际上表示“持有任何Object类型的原生List”。
List<?>：持有某种具体类型的非原生List（不过我们并不知道具体类型是什么）。

不过，在一些情况下，编译器仍会区分二者：

【例子：区分不同的泛型】

public class Wildcards {
    static void rawArgs(Holder holder, Object arg) {
        // 会触发警告：
        holder.set(arg);

        // 当前作用域中也没有T，所以不能这样写：
        // T t = holder.get();

        // 可以这么写，但会丢失类型信息：
        Object obj = holder.get();
    }

    // 与rawArgs()不同，方法会触发报错：
    static void unboundedArg(Holder<?> holder, Object arg) {
        // 发生报错：
        // holder.set(arg);

        // 当然，这样依旧不行：
        // T t = holder.get();

        // 可以，但还是会丢失类型信息：
        Object obj = holder.get();
    }

    static <T> T exact1(Holder<T> holder) {
        return holder.get();
    }

    static <T> T exact2(Holder<T> holder, T arg) {
        holder.set(arg);
        return holder.get();
    }

    static <T>
    T wildSubtype(Holder<? extends T> holder, T arg) {
        // 依旧会发生报错：
        // holder.set(arg);

        return holder.get();
    }

    static <T>
    void wildSupertype(Holder<? extends T> holder, T arg) {
        // 引发报错：
        // holder.set(arg);

        Object obj = holder.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Holder raw = new Holder<>();
        // 这种写法也一样：
        raw = new Holder();

        Holder<Long> qualified = new Holder<>();
        Holder<?> unbounded = new Holder<>();
        Holder<? extends Long> bounded = new Holder<>();
        Long lng = 1L;

        rawArgs(raw, lng);
        rawArgs(qualified, lng);
        rawArgs(unbounded, lng);
        rawArgs(bounded, args);

        unboundedArg(raw, lng);
        unboundedArg(qualified, lng);
        unboundedArg(unbounded, lng);
        unboundedArg(bounded, lng);

        // 引发警告：
        Object r1 = exact1(raw);
        Long r2 = exact1(qualified);
        Object r3 = exact1(unbounded); // 方法返回Object类型
        // 引发异常：
        // Long r4 = exact1(bounded);

        // 引发警告
        Long r5 = exact2(raw, lng);
        Long r6 = exact2(qualified, lng);
        // 引发报错：
        // Long r7 = exact2(unbounded, lng);
        // 同样会报错：
        // Long r8 = exact2(bounded, lng);

        // 引发警告：
        Long r9 = wildSubtype(raw, lng);

        Long r10 = wildSubtype(qualified, lng);
        // 同样会获得Object类型
        Object r11 = wildSubtype(unbounded, lng);

        // 引发异常：
        Long r12 = wildSubtype(bounded, lng);

        // 引发警告：
        wildSupertype(raw, lng);

        wildSupertype(qualified, lng);

        wildSupertype(bounded, lng);
    }
}

先看rawArgs中的holder.set()，编译时会产生警告：

由于这里使用的是Holder的原始类型，所以任何向set()中传入的类型都会被向上转型为Object。编译器知道这种行为是不安全的，所以发出了警告。注意：使用原始类型，就意味着放弃了编译时检查。

再看unboundedArg()中的holder.set()，与原生的Holder不同，使用Holder<?>时编译器提示的警告级别是error：

这是因为原生的Holder可以持有任何类型的组合，而Holder<?>只能持有由某种具体类型组合成的单类型集合，因此我们无法传入一个Object。

除此之外，exact1()和exact2()也因为参数的不同而受到了不同的限制：

可以看到，exact2()所受的限制更大。

若向一个有“具体的”泛型类型（即无通配符）参数的方法中传入原生类型，就会产生警告。这是因为具体参数所需的信息并不存在于原生类型中。

捕获转换

<?>有一个特殊的用法：可以向一个使用了<?>的方法传入原生类型，编译器可能可以推断出具体的类型参数。这被称为捕获转换，通过这种方式，我们可以捕获未指定的通配符类型，将其转换成具体的类型：

【例子：捕获转换的使用例】

public class CaptureConversion {
    static <T> void f1(Holder<T> holder) {
        T t = holder.get();
        System.out.println(t.getClass().getSimpleName());
    }

    static void f2(Holder<?> holder) {
        f1(holder); // 捕获类型，并将具体的类型传入f1()中
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public static void main(String[] args) {
        Holder raw = new Holder<>(1);
        // 若直接传入f1()中，会产生警告
        f1(raw);
        // 但使用f2()就不会出现警告
        f2(raw);

        Holder rawBasic = new Holder();
        // 会产生警告：
        rawBasic.set(new Object());
        // 也不会出现警告
        f2(rawBasic);
        // 即使向上转型为Holder<?>，依旧可以推断出具体类型：
        Holder<?> wildcarded = new Holder<>(1.0);
        f2(wildcarded);
    }
}

程序执行的结果是：