Java泛型總結(jié)（三）：通配符的使用

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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(gè)重要的東西叫通配符，本文介紹通配符的使用。

這個(gè)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(lái)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(gè) Apple 數(shù)組并把它賦給 Fruit 數(shù)組的引用。這是有意義的，Apple 是 Fruit 的子類，一個(gè) Apple 對(duì)象也是一種 Fruit 對(duì)象，所以一個(gè) 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(jì)為協(xié)變的，對(duì)此是有爭(zhēng)議的，有人認(rèn)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(shí)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(duì)象和 Orange 對(duì)象。對(duì)于編譯器來(lái)說(shuō)，這是可以通過編譯的，但是在運(yùn)行時(shí)期，JVM 能夠知道數(shù)組的實(shí)際類型是 Apple[]，所以當(dāng)其它對(duì)象加入數(shù)組的時(shí)候就會(huì)拋出異常。

泛型設(shè)計(jì)的目的之一是要使這種運(yùn)行時(shí)期的錯(cuò)誤在編譯期就能發(fā)現(xiàn)，看看用泛型容器類來(lái)代替數(shù)組會(huì)發(fā)生什么：

// Compile Error: incompatible types:
ArrayList<Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();

上面的代碼根本就無(wú)法編譯。當(dāng)涉及到泛型時(shí)， 盡管 Apple 是 Fruit 的子類型，但是 ArrayList<Apple> 不是 ArrayList<Fruit> 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<Number> list = ArrayList<Integer> 這樣的語(yǔ)句是無(wú)法通過編譯的，盡管 Integer 是 Number 的子類型。那么如果我們確實(shí)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(lái)發(fā)揮作用了。

上邊界限定通配符

利用 <? extends Fruit> 形式的通配符，可以實(shí)現(xiàn)泛型的向上轉(zhuǎn)型：

public class GenericsAndCovariance {
 public static void main(String[] args) {
 // Wildcards allow covariance:
 List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
 // 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<? extends Fruit>  我們可以把它讀作：一個(gè)類型的 List， 這個(gè)類型可以是繼承了 Fruit 的某種類型。注意，這并不是說(shuō)這個(gè) 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(duì)這個(gè)例子解釋就是，flist 引用可以指向某個(gè)類型的 List，只要這個(gè)類型繼承自 Fruit，可以是 Fruit 或者 Apple，比如例子中的 new ArrayList<Apple> 但是為了向上轉(zhuǎn)型給 flist，flist 并不關(guān)心這個(gè)具體類型是什么。

如上所述，通配符 List<? extends Fruit> 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(gè)實(shí)際的類型到底是什么，反正是 Fruit 的子類型，F(xiàn)ruit 是它的上邊界。那么對(duì)這樣的一個(gè) List 我們能做什么呢？其實(shí)如果我們不知道這個(gè) List 到底持有什么類型，怎么可能安全的添加一個(gè)對(duì)象呢？在上面的代碼中，向 flist 中添加任何對(duì)象，無(wú)論是 Apple 還是 Orange 甚至是 Fruit 對(duì)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<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>())，那么我們也就失去了向這個(gè) List 添加任何對(duì)象的能力，即使是 Object 也不行。

另一方面，如果調(diào)用某個(gè)返回 Fruit 的方法，這是安全的。因?yàn)槲覀冎溃谶@個(gè) List 中，不管它實(shí)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(shí)倒也不是，看下面的例子：

public class CompilerIntelligence {
 public static void main(String[] args) {
 List<? extends Fruit> 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(wú)法編譯
 }
}

在上面的例子中，flist 的類型是 List<? extends Fruit> ，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(duì)象的例子，最后一行代碼無(wú)法編譯。

但是 flist 卻可以調(diào)用 contains 和 indexOf 方法，它們都接受了一個(gè) Apple 對(duì)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(gè)泛型類型作為參數(shù)，但是 contains 和 indexOf 接受一個(gè) 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 <? extends Fruit> 時(shí)，add() 方法的參數(shù)變?yōu)?? extends Fruit，編譯器無(wú)法判斷這個(gè)參數(shù)接受的到底是 Fruit 的哪種類型，所以它不會(huì)接受任何類型。

然而，contains 和 indexOf 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(gè)方法。這意味著一切取決于泛型類的編寫者來(lái)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(shí)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(shí)，上面介紹的就有用了。下面編寫一個(gè) Holder 類：

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; }
 public boolean equals(Object obj) {
 return value.equals(obj);
 }
 public static void main(String[] args) {
 Holder<Apple> Apple = new Holder<Apple>(new Apple());
 Apple d = Apple.get();
 Apple.set(d);
 // Holder<Fruit> Fruit = Apple; // Cannot upcast
 Holder<? extends Fruit> 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
*///:~

在 Holer 類中，set() 方法接受類型參數(shù) T 的對(duì)象作為參數(shù)，get() 返回一個(gè) T 類型，而 equals() 接受一個(gè) Object 作為參數(shù)。fruit 的類型是 Holder<? extends Fruit>，所以set()方法不會(huì)接受任何對(duì)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(gè)方向是　“超類型的通配符“: ? super T，T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(duì)象” 了。還是用例子解釋：

public class SuperTypeWildcards {
 static void writeTo(List<? super Apple> 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<? super Apple>  它表示某種類型的 List，這個(gè)類型是 Apple 的基類型。也就是說(shuō)，我們不知道實(shí)際類型是什么，但是這個(gè)類型肯定是 Apple 的父類型。因此，我們可以知道向這個(gè) List 添加一個(gè) Apple 或者其子類型的對(duì)象是安全的，這些對(duì)象都可以向上轉(zhuǎn)型為 Apple。但是我們不知道加入 Fruit 對(duì)象是否安全，因?yàn)槟菢訒?huì)使得這個(gè) List 添加跟 Apple 無(wú)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(duì)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(duì)象 )。下面是一個(gè)例子：

public class Collections { 
 public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) 
 {
 for (int i=0; i<src.size(); i++) 
 dest.set(i,src.get(i)); 
 } 
}

src 是原始數(shù)據(jù)的 List，因?yàn)橐獜倪@里面讀取數(shù)據(jù)，所以用了上邊界限定通配符：<? extends T>，取出的元素轉(zhuǎn)型為 T。dest 是要寫入的目標(biāo) List，所以用了下邊界限定通配符：<? super T>，可以寫入的元素類型是 T 及其子類型。

無(wú)邊界通配符

還有一種通配符是無(wú)邊界通配符，它的使用形式是一個(gè)單獨(dú)的問號(hào)：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(duì)象嗎？當(dāng)然不可以，因?yàn)椴⒉恢缹?shí)際是哪種類型，所以不能添加任何類型，這是不安全的。而單獨(dú)的 List list ，也就是沒有傳入泛型參數(shù)，表示這個(gè) list 持有的元素的類型是 Object，因此可以添加任何類型的對(duì)象，只不過編譯器會(huì)有警告信息。

總結(jié)

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

• 使用 List<? extends C> list 這種形式，表示 list 可以引用一個(gè) ArrayList ( 或者其它 List 的 子類 ) 的對(duì)象，這個(gè)對(duì)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<? super C> list 這種形式，表示 list 可以引用一個(gè) ArrayList ( 或者其它 List 的 子類 ) 的對(duì)象，這個(gè)對(duì)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(jiǎn)單，但是如果自己編寫支持泛型的代碼需要對(duì)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(diǎn)，泛型的總結(jié)就寫到這里。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來(lái)一定的幫助，同時(shí)也希望多多支持創(chuàng)新互聯(lián)！

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