初识Java 18-5 泛型

动态类型安全

异常

混型

C++中的混型

替代方案

与接口混合

使用装饰器模式

与动态代理混合

本笔记参考自：《On Java 中文版》

动态类型安全

在Java 5引入泛型前，老版本的Java程序中就已经存在了List等原生集合类型。这意味着，我们可以向这些老版本的代码中传递泛型集合，这无疑是存在风险的。为此，Java 5在java.util.Collections中添加了一组实用工具checked*()：

checkedCollection()
checkList()
checkedMap()
checkedSet()
checkedSortedMap()
checkedSortSet()

这些方法的第一个参数都是被检查的集合，之后的参数会传入需要强制确保的类型。若这些方法检测到插入了不匹配的类型，就会发出异常。

这一点和Java 5之前的原生集合不同，它们只会在我们从中取出对象时报告问题。此时，我们难以找出发生问题的代码。

下面的例子展示了check*()的用法：

【例子：check*()的使用】

假设我们有一个Pet类，它有两个子类Cat和Dog。则代码如下所示：

import reflection.pets.Cat;
import reflection.pets.Dog;
import reflection.pets.Pet;

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

public class CheckedList {
    // 一个Java 5之前遗留的方法：
    @SuppressWarnings("unchecked")
    static void oldStyleMethod(List probablyDogs) {
        // 向probablyDogs集合中传入错误的Cat类型：
        probablyDogs.add(new Cat());
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<Dog> dogs1 = new ArrayList<>();
        // 安静地放入了Cat类型：
        oldStyleMethod(dogs1);

        List<Dog> dogs2 = Collections.checkedList(
                new ArrayList<>(), Dog.class);
        try {
            oldStyleMethod(dogs2);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("发生异常：" + e);
        }

        // 使用基类集合不会存在问题：
        List<Pet> pets = Collections.checkedList(
                new ArrayList<>(), Pet.class);
        pets.add(new Dog());
        pets.add(new Cat());
    }
}

程序执行的结果是：

可以发现，oldStyleMethod(dogs1)并没有受到编译器的质疑，尽管方法内部会往dogs1集合中插入一个不匹配的Cat对象。而dogs2立刻抛出异常。

异常

因为类型擦除，catch子句无法捕获泛型类型的异常，因为无法获知异常的确切类型。也因此，泛型类无法直接或间接地继承Throwable。

但类型参数可以用于方法声明中的throws子句。根据这个特点，我们可以编写随（受检查的）异常类型变化而变化的泛型代码：

【例子：可变化的异常】

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

interface Processor<T, E extends Exception> {
    void process(List<T> resultCollector) throws E;
}

class ProcessRunner<T, E extends Exception>
        extends ArrayList<Processor<T, E>> {
    List<T> processAll() throws E {
        List<T> resultCollector = new ArrayList<>();
        for (Processor<T, E> processor : this)
            processor.process(resultCollector);
        return resultCollector;
    }
}

class Failure1 extends Exception {
}

class Processor1
        implements Processor<String, Failure1> {
    static int count = 3;

    @Override
    public void process(List<String> resultCollector)
            throws Failure1 {
        if (count-- > 1)
            resultCollector.add("哼！");
        else
            resultCollector.add("哈！");

        if (count < 0)
            throw new Failure1();
    }
}

class Failure2 extends Exception {
}

class Processor2
        implements Processor<Integer, Failure2> {
    static int count = 2;

    @Override
    public void process(List<Integer> resultCollector)
            throws Failure2 {
        if (count-- == 0)
            resultCollector.add(47);
        else {
            resultCollector.add(11);
        }

        if (count < 0)
            throw new Failure2();
    }
}

public class ThrowGenericException {
    public static void main(String[] args) {
        ProcessRunner<String, Failure1> runner1 =
                new ProcessRunner<>();
        for (int i = 0; i < 3; i++)
            runner1.add(new Processor1());
        try {
            System.out.println(runner1.processAll());
        } catch (Failure1 e) {
            System.out.println(e);
        }

        ProcessRunner<Integer, Failure2> runner2 =
                new ProcessRunner<>();
        for (int i = 0; i < 3; i++)
            runner2.add(new Processor2());
        try {
            System.out.println(runner2.processAll());
        } catch (Failure2 e) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

程序执行的结果是：

Processor规定了会抛出异常E的方法process()。process()的结果被保存在了List<T> resultCollector中（这个参数也被称为采集参数）。

因为检查型异常的缘故，如果不使用参数化的异常，我们就无法泛化地进行如上的代码编写。

混型

混型最基本的概念是，混合多个类的能力，生成一个可以代表混型中所有类型的类（不过，这通常是我们最后做的一件事）。

对混型的更改会应用于所有使用了该混型的类中。可以说，混型更加接近面向切面编程。

C++中的混型

依旧是先看看混型在C++中的表现。C++会通过多重继承实现混型，除此之外，参数化类型也是一个不错的实现手段。

【例子：在C++中使用混型】

#include<string>
#include<ctime>
#include<iostream>

using namespace std;

template<class T> class TimeStamped : public T {
    long timeStamp;
public:
    TimeStamped() {
        timeStamp = time(0);
    }
    long getStamp() {
        return timeStamp;
    }
};

template<class T> class SerialNumbered : public T {
    long serialNumber;
    static long counter;
public:
    SerialNumbered() {
        serialNumber = counter++;
    }
    long getSerialNumber() {
        return serialNumber;
    }
};

// 定义静态存储，并进行初始化
template<class T> long SerialNumbered<T>::counter = 1;

class Basic {
    string value;
public:
    void set(string val) {
        value = val;
    }
    string get() {
        return value;
    }
};

int main() {
    // 使用混型：
    TimeStamped<SerialNumbered<Basic>> mixin1, mixin2;
    mixin1.set("test 1");
    mixin2.set("test 2");
    cout << mixin1.get() << ": " << mixin1.getStamp() <<
        " " << mixin1.getSerialNumber() << endl;
    cout << mixin2.get() << ": " << mixin2.getStamp() <<
        " " << mixin2.getSerialNumber() << endl;
}

程序执行的结果是：

mixin1和mixin2具有所有混入类型的方法，这就相当于将已有的类映射到新的子类上一样。

不幸的是，由于类型擦除会丢弃基类的类型，因此在Java中，泛型类无法直接继承自泛型参数。

替代方案

为了在Java中使用混型，下面将会给出一些替代的方案。

与接口混合

一种常见的方式是通过接口来实现泛型的效果：

【例子：使用接口实现混型的效果】

import java.util.Date;

interface TimeStamped {
    long getStamp();
}

class TimeStampedImp implements TimeStamped {
    private final long timeStamp;

    TimeStampedImp() {
        timeStamp = new Date().getTime();
    }

    @Override
    public long getStamp() {
        return timeStamp;
    }
}

interface SerialNumbered {
    long getSerialNumber();
}

class SerialNumberedImp implements SerialNumbered {
    private static long counter = 1;
    private final long serialNumber = counter++;

    @Override
    public long getSerialNumber() {
        return serialNumber;
    }
}

interface Basic {
    void set(String val);

    String get();
}

class BasicImp implements Basic {
    private String value;

    @Override
    public void set(String val) {
        value = val;
    }

    @Override
    public String get() {
        return value;
    }
}

// 混合多个类的能力
class Mixin extends BasicImp
        implements TimeStamped, SerialNumbered {
    private TimeStamped timeStamp =
            new TimeStampedImp();
    private SerialNumbered serialNumber =
            new SerialNumberedImp();

    @Override
    public long getStamp() {
        return timeStamp.getStamp();
    }

    @Override
    public long getSerialNumber() {
        return serialNumber.getSerialNumber();
    }
}

public class Mixins {
    public static void main(String[] args) {
        Mixin mixin1 = new Mixin(),
                mixin2 = new Mixin();
        mixin1.set("Test 1");
        mixin2.set("Test 2");
        System.out.println(mixin1.get() + ": " +
                mixin1.getStamp() + " " +
                mixin1.getSerialNumber());
        System.out.println(mixin2.get() + ": " +
                mixin2.getStamp() + " " +
                mixin2.getSerialNumber());
    }
}

程序执行的结果是：

在这里，Mixin类使用的是委托模式，这种模式要求每个被混入其中的类在Mixin中都有一个字段，Mixin负责把对应的任务委托给字段所代表的类。

然而，这种做法在面对复杂的混型时会导致代码量的急剧增加。

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使用装饰器模式

||| 装饰器模式：用其他的类装饰一个可包装的类，分层叠加功能。

可以发现，装饰器模式和混型的概念有相似之处。装饰器通过组合和规范的结构（这个结构就是可装饰物和装饰器的层次结构）进行实现，而混型的实现基于继承。

装饰器是透明的，可以通过一个公共的信息集向其传递信息。

（可以将混型看做一种不要求装饰器继承结构的泛型装饰器机制）

【例子：使用装饰器重写上一个例子】

import java.util.Date;

class Basic {
    private String value;

    public void set(String val) {
        val = value;
    }

    public String get() {
        return value;
    }
}

class Decorator extends Basic {
    protected Basic basic;

    Decorator(Basic basic) {
        this.basic = basic;
    }

    @Override
    public void set(String val) {
        basic.set(val);
    }

    @Override
    public String get() {
        return basic.get();
    }
}

class TimeStamped extends Decorator {
    private final long timeStamp;

    TimeStamped(Basic basic) {
        super(basic);
        timeStamp = new Date().getTime();
    }

    public long getStamp() {
        return timeStamp;
    }
}

class SerialNumbered extends Decorator {
    private static long counter = 1;
    private final long serialNumber = counter++;

    SerialNumbered(Basic basic) {
        super(basic);
    }

    public long getSerialNumber() {
        return serialNumber;
    }
}

public class Decoration {
    public static void main(String[] args) {
        TimeStamped t1 = new TimeStamped(new Basic());
        TimeStamped t2 = new TimeStamped(
                new SerialNumbered(new Basic()));
        // 该方法不可用：
        // t2.getSerialNumber();
        t2.getStamp();

        SerialNumbered s1 = new SerialNumbered(new Basic());
        SerialNumbered s2 = new SerialNumbered(
                new TimeStamped(new Basic()));
        // 同样不可用：
        // s2.getStamp();
        s2.getSerialNumber();
    }
}

通过这种方式创建的类也会包含所有所需的方法，但是使用装饰器产生的对象类型是其层次结构上的最后一层包装。换言之，因为只有最后一层是实际的类型，因此只有最后一层的方法是可见的。

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与动态代理混合

通过动态代理（可见笔记17-3），可以创建一种更捷径混型的机制。使用了动态代理，获得的结果类的动态类型将会是混合后的合并类型。

需要注意的是，在动态代理中每个被混入的类都必须是某个接口的实现。

【例子：使用混合代理实现混型】

import onjava.Tuple2;

import static onjava.Tuple.*;

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

class MixinProxy implements InvocationHandler {
    Map<String, Object> delegateByMethod;

    @SuppressWarnings("unchecked")
    MixinProxy(Tuple2<Object, Class<?>>... pairs) {
        delegateByMethod = new HashMap<>();
        for (Tuple2<Object, Class<?>> pair : pairs) {
            for (Method method : pair.b2.getMethods()) {
                String methodName = method.getName();

                // containKey()来自Map类：如果包含key值，则返回true
                if (!delegateByMethod.containsKey(methodName))
                    delegateByMethod.put(methodName, pair.a2);
            }
        }
    }

    @Override
    public Object invoke(
            Object proxy, Method method, Object[] args)
            throws Throwable {
        String methodName = method.getName();
        Object delegate = delegateByMethod.get(methodName);
        return method.invoke(delegate, args);
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public static Object newInstance(Tuple2... pairs) {
        Class[] interfaces = new Class[pairs.length];
        for (int i = 0; i < pairs.length; i++) {
            interfaces[i] = (Class) pairs[i].b2;
        }
        ClassLoader cl =
                pairs[0].a2.getClass().getClassLoader();
        return Proxy.newProxyInstance(
                cl, interfaces, new MixinProxy(pairs));
    }
}

public class DynamicProxyMixin {
    public static void main(String[] args) {
        // BasicImp来自于Mixins.java的那个例子：
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Object mixin = MixinProxy.newInstance(
                tuple(new BasicImp(), Basic.class),
                tuple(new TimeStampedImp(), TimeStamped.class),
                tuple(new SerialNumberedImp(),
                        SerialNumbered.class));
        Basic b = (Basic) mixin;
        TimeStamped t = (TimeStamped) mixin;
        SerialNumbered s = (SerialNumbered) mixin;

        b.set("Hello");
        System.out.println(b.get());
        System.out.println(t.getStamp());
        System.out.println(s.getSerialNumber());
    }
}

程序执行的结果是：