Java编程的逻辑 (36) - 泛型 (中) - 解析通配符

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上节我们介绍了泛型的基本概念和原理，本节继续讨论泛型，主要讨论泛型中的通配符概念。通配符有着令人费解和混淆的语法，但通配符大量应用于Java容器类中，它到底是什么？本节，让我们逐步来解析。

更简洁的参数类型限定

在上节最后，我们提到一个例子，为了将Integer对象添加到Number容器中，我们的类型参数使用了其他类型参数作为上界，代码是：

public <T extends E> void addAll(DynamicArray<T> c) {
    for(int i=0; i<c.size; i++){
        add(c.get(i));
    }
}

我们提到，这个写法有点啰嗦，它可以替换为更为简洁的通配符形式：

public void addAll(DynamicArray<? extends E> c) {
    for(int i=0; i<c.size; i++){
        add(c.get(i));
    }
}

这个方法没有定义类型参数，c的类型是DynamicArray<? extends E>，?表示通配符，<? extends E>表示有限定通配符，匹配E或E的某个子类型，具体什么子类型，我们不知道。

使用这个方法的代码不需要做任何改动，还可以是：

DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<>();
DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
ints.add(100);
ints.add(34);
numbers.addAll(ints);

这里，E是Number类型，DynamicArray<? extends E>可以匹配DynamicArray<Integer>。

<T extends E>与<? extends E>

那么问题来了，同样是extends关键字，同样应用于泛型，<T extends E>和<? extends E>到底有什么关系？

它们用的地方不一样，我们解释一下：

• <T extends E>用于定义类型参数，它声明了一个类型参数T，可放在泛型类定义中类名后面、泛型方法返回值前面。
• <? extends E>用于实例化类型参数，它用于实例化泛型变量中的类型参数，只是这个具体类型是未知的，只知道它是E或E的某个子类型。

虽然它们不一样，但两种写法经常可以达成相同目标，比如，前面例子中，下面两种写法都可以：

public void addAll(DynamicArray<? extends E> c)
public <T extends E> void addAll(DynamicArray<T> c) 

那，到底应该用哪种形式呢？我们先进一步理解通配符，然后再解释。

理解通配符

无限定通配符

还有一种通配符，形如DynamicArray<?>，称之为无限定通配符，我们来看个使用的例子，在DynamicArray中查找指定元素，代码如下：

public static int indexOf(DynamicArray<?> arr, Object elm){
    for(int i=0; i<arr.size(); i++){
        if(arr.get(i).equals(elm)){
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

其实，这种无限定通配符形式，也可以改为使用类型参数。也就是说，下面写法：

public static int indexOf(DynamicArray<?> arr, Object elm)

可以改为：

public static <T> int indexOf(DynamicArray<T> arr, Object elm)

不过，通配符形式更为简洁。

通配符的只读性

通配符形式更为简洁，但上面两种通配符都有一个重要的限制，只能读，不能写。

怎么理解呢？看下面例子：

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
DynamicArray<? extends Number> numbers = ints;
Integer a = 200;
numbers.add(a);
numbers.add((Number)a);
numbers.add((Object)a);

三种add方法都是非法的，无论是Integer，还是Number或Object，编译器都会报错。为什么呢？

?就是表示类型安全无知，? extends Number表示是Number的某个子类型，但不知道具体子类型，如果允许写入，Java就无法确保类型安全性，所以干脆禁止。我们来看个例子，看看如果允许写入会发生什么：

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<>();
DynamicArray<? extends Number> numbers = ints;
Number n = new Double(23.0);
Object o = new String("hello world");
numbers.add(n);
numbers.add(o);

如果允许写入Object或Number类型，则最后两行编译就是正确的，也就是说，Java将允许把Double或String对象放入Integer容器，这显然就违背了Java关于类型安全的承诺。

大部分情况下，这种限制是好的，但这使得一些理应正确的基本操作都无法完成，比如交换两个元素的位置，看代码：

public static void swap(DynamicArray<?> arr, int i, int j){
    Object tmp = arr.get(i);
    arr.set(i, arr.get(j));
    arr.set(j, tmp);
}

这个代码看上去应该是正确的，但Java会提示编译错误，两行set语句都是非法的。不过，借助带类型参数的泛型方法，这个问题可以这样解决：

private static <T> void swapInternal(DynamicArray<T> arr, int i, int j){
    T tmp = arr.get(i);
    arr.set(i, arr.get(j));
    arr.set(j, tmp);
}

public static void swap(DynamicArray<?> arr, int i, int j){
    swapInternal(arr, i, j);
}

swap可以调用swapInternal，而带类型参数的swapInternal可以写入。Java容器类中就有类似这样的用法，公共的API是通配符形式，形式更简单，但内部调用带类型参数的方法。

参数类型间的依赖关系

除了这种需要写的场合，如果参数类型之间有依赖关系，也只能用类型参数，比如说，看下面代码，将src容器中的内容拷贝到dest中：

public static <D,S extends D> void copy(DynamicArray<D> dest,
        DynamicArray<S> src){
    for(int i=0; i<src.size(); i++){
        dest.add(src.get(i));
    }
}

S和D有依赖关系，要么相同，要么S是D的子类，否则类型不兼容，有编译错误。不过，上面的声明可以使用通配符简化一下，两个参数可以简化为一个，如下所示：

public static <D> void copy(DynamicArray<D> dest,
        DynamicArray<? extends D> src){
    for(int i=0; i<src.size(); i++){
        dest.add(src.get(i));
    }
}

通配符与返回值

还有，如果返回值依赖于类型参数，也不能用通配符，比如，计算动态数组中的最大值，如下所示：

public static <T extends Comparable<T>> T max(DynamicArray<T> arr){
    T max = arr.get(0);
    for(int i=1; i<arr.size(); i++){
        if(arr.get(i).compareTo(max)>0){
            max = arr.get(i);
        }
    }
    return max;
}

上面的代码就难以用通配符代替。

通配符还是类型参数？

现在我们再来看，泛型方法，到底应该用通配符的形式，还是加类型参数？两者到底有什么关系？我们总结下：

• 通配符形式都可以用类型参数的形式来替代，通配符能做的，用类型参数都能做。
• 通配符形式可以减少类型参数，形式上往往更为简单，可读性也更好，所以，能用通配符的就用通配符。
• 如果类型参数之间有依赖关系，或者返回值依赖类型参数，或者需要写操作，则只能用类型参数。
• 通配符形式和类型参数往往配合使用，比如，上面的copy方法，定义必要的类型参数，使用通配符表达依赖，并接受更广泛的数据类型。

超类型通配符

灵活写入

还有一种通配符，与形式<? extends E>正好相反，它的形式为<? super E>，称之为超类型通配符，表示E的某个父类型，它有什么用呢？有了它，我们就可以更灵活的写入了。

如果没有这种语法，写入会有一些限制，来看个例子，我们给DynamicArray添加一个方法：

public void copyTo(DynamicArray<E> dest){
    for(int i=0; i<size; i++){
        dest.add(get(i));
    }
}

这个方法也很简单，将当前容器中的元素添加到传入的目标容器中。我们可能希望这么使用：

DynamicArray<Integer> ints = new DynamicArray<Integer>();
ints.add(100);
ints.add(34);
DynamicArray<Number> numbers = new DynamicArray<Number>();
ints.copyTo(numbers);

Integer是Number的子类，将Integer对象拷贝入Number容器，这种用法应该是合情合理的，但Java会提示编译错误，理由我们之前也说过了，期望的参数类型是DynamicArray<Integer>，DynamicArray<Number>并不适用。

如之前所说，一般而言，不能将DynamicArray<Integer>看做DynamicArray<Number>，但我们这里的用法是没有问题的，Java解决这个问题的方法就是超类型通配符，可以将copyTo代码改为：

public void copyTo(DynamicArray<? super E> dest){
    for(int i=0; i<size; i++){
        dest.add(get(i));
    }
}

这样，就没有问题了。

灵活比较

超类型通配符另一个常用的场合是Comparable/Comparator接口。同样，我们先来看下，如果不使用，会有什么限制。以前面计算最大值的方法为例，它的方法声明是：

public static <T extends Comparable<T>> T max(DynamicArray<T> arr)

这个声明有什么限制呢？我们举个简单的例子，有两个类Base和Child，Base的代码是：

class Base implements Comparable<Base>{
    private int sortOrder;

    public Base(int sortOrder) {
        this.sortOrder = sortOrder;
    }

    @Override
    public int compareTo(Base o) {
        if(sortOrder < o.sortOrder){
            return -1;
        }else if(sortOrder > o.sortOrder){
            return 1;
        }else{
            return 0;
        }
    }
}

Base代码很简单，实现了Comparable接口，根据实例变量sortOrder进行比较。Child代码是：

class Child extends Base {
    public Child(int sortOrder) {
        super(sortOrder);
    }
}

这里，Child非常简单，只是继承了Base。注意，Child没有重新实现Comparable接口，因为Child的比较规则和Base是一样的。我们可能希望使用前面的max方法操作Child容器，如下所示：

DynamicArray<Child> childs = new DynamicArray<Child>();
childs.add(new Child(20));
childs.add(new Child(80));
Child maxChild = max(childs);

遗憾的是，Java会提示编译错误，类型不匹配。为什么不匹配呢？我们可能会认为，Java会将max方法的类型参数T推断为Child类型，但类型T的要求是extends Comparable<T>，而Child并没有实现Comparable<Child>，它实现的是Comparable<Base>。

但我们的需求是合理的，Base类的代码已经有了关于比较所需要的全部数据，它应该可以用于比较Child对象。解决这个问题的方法，就是修改max的方法声明，使用超类型通配符，如下所示：

public static <T extends Comparable<? super T>> T max(DynamicArray<T> arr)

就这么修改一下，就可以了，这种写法比较抽象，将T替换为Child，就是：

Child extends Comparable<? super Child>

<? super Child>可以匹配Base，所以整体就是匹配的。

没有<T super E>

我们比较一下类型参数限定与超类型通配符，类型参数限定只有extends形式，没有super形式，比如说，前面的copyTo方法，它的通配符形式的声明为：

public void copyTo(DynamicArray<? super E> dest)

如果类型参数限定支持super形式，则应该是：

public <T super E> void copyTo(DynamicArray<T> dest)

事实是，Java并不支持这种语法。

前面我们说过，对于有限定的通配符形式<? extends E>，可以用类型参数限定替代，但是对于类似上面的超类型通配符，则无法用类型参数替代。

通配符比较

两种通配符形式<? super E>和<? extends E>也比较容易混淆，我们再来比较下。

• 它们的目的都是为了使方法接口更为灵活，可以接受更为广泛的类型。
• <? super E>用于灵活写入或比较，使得对象可以写入父类型的容器，使得父类型的比较方法可以应用于子类对象。
• <? extends E>用于灵活读取，使得方法可以读取E或E的任意子类型的容器对象。

Java容器类的实现中，有很多这种用法，比如说，Collections中就有如下一些方法：

public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list)
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)
public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src)
public static <T> T max(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp)

通过上节和本节，我们应该可以理解这些方法声明的含义了。

小结

本节介绍了泛型中的三种通配符形式，<?>、<? extends E>和<? super E>，并分析了与类型参数形式的区别和联系。

简单总结来说：

• <?>和<? extends E>用于实现更为灵活的读取，它们可以用类型参数的形式替代，但通配符形式更为简洁。
• <? super E>用于实现更为灵活的写入和比较，不能被类型参数形式替代。

关于泛型，还有一些细节以及限制，让我们下节来继续探讨。

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