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Java 理论与实践: 使用通配符简化泛型使用,第 2 部分,get-put 原则

 
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在 Java 语言中,数组是协变的(因为一个 Integer 同时也是一个 Number,一个 Integer 数组同时也是一个 Number 数组),但是泛型不是这样的(List<Integer> 并不等于 List<Number>)。人们会争论哪些选择是 “正确的”,哪些选择是 “错误的” — 当然,每种选择都各有优缺点 — 但有一点毫无疑问,存在两种使用差别很小的语义构造派生类型的类似机制,这将导致大量错误和误解。

有界通配符(一些有趣的 “? extends T” 通用类型说明符)是语言提供的一种工具,用来处理协变性缺乏 — 有界通配符允许类声明方法参数或返回值何时具有协变性(或相反,声明方法参数或返回值何时具有逆变性(contravariant))。虽然了解何时使用有界通配符是泛型较为复杂的方面,但是,使用有界通配符的压力通常都落在库作者的身上,而非库用户。最常见的有界通配符错误就是忘记使用它们,这就限制了类的使用,或是强制用户不得不重用现有的类。

有界通配符的作用

让我们从一个简单的泛型类开始(一个称为 Box 的值容器),它持有一个具有已知类型的值:

public interface Box<T> {
    public T get();
    public void put(T element);
}

由于泛型不具备协变性,Box<Integer> 并不等同于 Box<Number>,尽管 Integer 属于 Number。但是对于 Box 这样的简单泛型类来说,这不成问题,并且常常被忽略,因为 Box<T> 的接口完全指定为 T 类型的变量 — 而不是通过 T 泛型化的类型。直接处理类型变量允许实现多态性。清单 1 展示了这种多态性的两个示例:获取 Box<Integer> 的内容,并将它作为一个 Number,然后将一个 Integer 放入 Box<Number> 中:


清单 1. 通过泛型类利用固有的多态性

                
Box<Integer> iBox = new BoxImpl<Integer>(3);
Number num = iBox.get();

Box<Number> nBox = new BoxImpl<Number>(3.2);
Integer i = 3;
nBox.put(i);

通过使用简单的 Box 类,使我们确信可以没有协变性,因为在需要实现多态的位置,数据已经具有某种形式,使编译器能够应用适当的子类型规则。

然而,如果希望 API 不仅能够处理 T 类型的变量,还能处理通过 T 泛型化的类型,事情将变得更加复杂。假设希望将一个新的方法添加到 Box,该方法允许获得另一个 Box 的内容并其放到清单 2 所示的 Box 中:


清单 2. 扩展的 Box 接口并不灵活

                
public interface Box<T> {
    public T get();
    public void put(T element);
    public void put(Box<T> box);
}

这个扩展 Box 的问题是,只能将内容放到类型参数与原 box 完全相同的 Box 中。因此,清单 3 中的代码就不能进行编译:


清单 3. 泛型不具备协变性

                
Box<Number> nBox = new BoxImpl<Number>();
Box<Integer> iBox = new BoxImpl<Integer>();

nBox.put(iBox);     // ERROR

显示一条错误消息,表示无法在 Box<Number> 中找到方法 put(Box<Integer>)。如果认为泛型是不具有协变性的,这条错误还讲得通;一个 Box<Integer> 不是 Box<Number>,尽管 IntegerNumber,但是这使得 Box 类的 “泛型性” 比我们期望的要弱。要提高泛型代码的有效性,可以指定一个上限(或下限),而不是指定某个泛型类型参数的精确类型。这可以使用有界通配符来实现,它的形式为 “? extends T” 或 “? super T”。(有界通配符只能用作类型参数,而不能作为类型本身 — 因此,需要一个有界的命名的类型变量)。在清单 4 中,修改了 put() 的签名以使用一个上限通配符 — Box<? extends T>,这表示 Box 的类型参数可以是 TT 的任何子类。


清单 4. 对清单 3 的 Box 类的改进解释了协变性

                
public interface Box<T> {
    public T get();
    public void put(T element);
    public void put(Box<? extends T> box);
}

现在,清单 3 中的代码可以进行编译并执行,因为 put() 的参数现在可以是参数类型为 T 或 T 的子类型的 Box。由于 IntegerNumber 的子类型,编译器能够解析方法引用 put(Box<Integer>),因为 Box<Integer> 匹配有界通配符 Box<? extends Number>

很容易犯清单 3 中的 Box 错误,即使是专家也难以避免 — 在平台类库中,许多地方都使用 Collection<T>,而不是 Collection<? extends T>。例如,在 java.util.concurrent 包的 AbstractExecutorService 中,invokeAll() 的参数最初是一个 Collection<Callable<T>>。但是,这样使用 invokeAll() 非常麻烦,因为这要求必须由 Callable<T> 参数化的集合持有任务集,而不是由实现 Callable<T> 的类参数化的集合。在 Java 6 中,这种签名被修改为 Collection<? extends Callable<T>> — 这只是为了演示非常容易犯这个错误,正确的修复应该是使 invokeAll() 包含一个 Collection<? extends Callable<? extends T>> 参数。这个参数无疑更加难看,但不会给客户机带来麻烦。

下限通配符

上面的大多数有界通配符都进行了限定;“? extends T” 符号为类型添加了一个上限。但是,虽然比较少见,仍然可以使用 “? super T” 符号为类型添加一个下限,表示 “类型 T 以及它的任何超类”。当您希望指定一个回调对象(例如一个比较器)或存放某个值的数据结构,可以使用下限通配符。

假设我们希望增强 Box,使它能够与另一个 box 的内容进行比较。可以通过 containsSame() 方法和 Comparator 回调对象的定义扩展 Box,如清单 5 所示:


清单 5. 尝试向 Box 添加一个比较方法

  1. publicinterfaceBox<T>{
  2. publicTget();
  3. publicvoidput(Telement);
  4. publicvoidput(Box<?extendsT>box);
  5. booleancontainsSame(Box<?extendsT>other,
  6. EqualityComparator<T>comparator);
  7. publicinterfaceEqualityComparator<T>{
  8. publicbooleancompare(Tfirst,Tsecond);
  9. }
  10. }

可以使用一个通配符定义 containsSame() 中另一个 box 的类型,这将避免前面遇到的问题。但是仍然会遇到一个类似的问题;比较器参数必须是 EqualityComparator<T>。这意味着我们不能编写如清单 6 所示的代码:


清单 6. 使用清单 5 中的比较方法会导致失败

  1. publicstaticEqualityComparator<Object>sameObject
  2. =newEqualityComparator<Object>(){
  3. publicbooleancompare(Objecto1,Objecto2){
  4. returno1==o2;
  5. }
  6. };
  7. ...
  8. BoxImpl<Integer>iBox=...;
  9. BoxImpl<Number>nBox=...;
  10. booleanb=nBox.containsSame(iBox,sameObject);

在这里使用一个 EqualityComparator<Object> 似乎非常合理。既然可以使用泛型指定,客户机就不必为每一个可能的 Box 类型创建独立的比较器了!解决方法是使用一个下限通配符 “? super T”。使用 compareTo() 方法扩展的正确 Box 类如清单 7 所示:


清单 7. 清单 5 中的比较操作在使用有界通配符后更加灵活

  1. publicinterfaceBox<T>{
  2. publicTget();
  3. publicvoidput(Telement);
  4. publicvoidput(Box<?extendsT>box);
  5. booleancontainsSame(Box<?extendsT>other,
  6. EqualityComparator<?superT>comparator);
  7. publicinterfaceEqualityComparator<T>{
  8. publicbooleancompare(Tfirst,Tsecond);
  9. }
  10. }

通过使用一个下限通配符,containsSame() 方法表示需要能够比较 T 或它的任何超类型 的工具,这就允许我们提供一个能够比较对象的比较器,并且不需要使用 EqualityComparator<Number> 封装它。

get-put 原则

有一个流传已久的笑话:“佩戴一只手表的人常常知道时间,而佩戴两只手表后反而难以确定了”。由于 Java 语言同时支持上限和下限通配符,那么如何判断何时使用哪一种呢?

这里有一条简单的规则,称为 get-put 原则,它解释了应该使用哪一种通配符。get-put 原则首次出现在 Naftalin 和 Wadler 所著的有关泛型的 Java Generics and Collections 一书中(参见参考资料),它是这样描述的:

仅从某个结构中获取值时使用 extends 通配符;仅将值放入某个结构时使用 super 通配符;同时执行以上两种操作时不要使用通配符。

在应用到 Box 等容器类或 Collections 类时,get-put 原则很好理解,因为 get 和 put 概念和这些类的作用有着自然的联系:存储内容。因此,如果希望应用 get-put 原则来创建一个可以在 Box 之间进行复制的方法,最常见的形式如清单 8 所示,其中复制源使用上限通配符,目标使用下限通配符:


清单 8. 同时使用上限和下限通配符的 Box 复制方法

  1. publicstatic<T>voidcopy(Box<?extendsT>from,Box<?superT>to){
  2. to.put(from.get());
  3. }

如果对前面的 containsSame() 方法(对 box 使用了上限通配符而对比较器使用了下限通配符)应用 get-put 原则?第一步很简单:需要从其他 box 获取一个值,因此使用一个 extends 通配符。但第二步有点复杂 — 因为比较器并不是容器,因此与从一个数据结构获得或存入值有所不同。

当数据类型并不是一个明显的容器类(例如集合)时,应该这样考虑 get-put 原则:尽管 EqualityComparator 不是一个数据结构,仍然可以向它 “存入” 值 — 即将值传递给它的一个方法。在 containsSame() 方法中,使用 Box 作为值的生成器(从 Box 获取值)并使用比较器作为值的使用者(将值传递给比较器)。因此可以对 Box 使用 extends 通配符,而对比较器使用 super 通配符。

我们可以看到 get-put 应用到了 Collections.sort() 的声明中,如清单 9 所示:


清单 9. 使用下限通配符的另一个示例
                
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T>list) { ... }

在这里,可以对 List 排序,它由实现 Comparable 的任何类型参数化。但是没有将 sort() 的域限制为具有可相互比较的元素的列表,而是更进一步 — 我们还对能够与其超类型相比较的列表元素进行排序。由于将值放入到比较器来决定两个元素的相对顺序,get-put 原则告诉我们在这里需要使用一个超通配符。

表面上看似循环引用 — T 扩展经过 T 参数化的内容 — 实际上并不是真正的循环。它只是表示对 List<T> 排序的限制,T 需要实现接口 Comparable<X>,其中 XT 或是 T 的一个超类型。

接着是 get-put 原则的最后一部分 — 当同时执行 get 和 put 操作时不要使用通配符。如果可以存入 T 或它的任意子类型,那么就可以获得 T 或它的任意超类型,而惟一可以同时获得或存入的是 T 本身。

不要对返回值使用通配符

有时希望对方法的返回类型使用有界通配符。但最好不要这样做,因为返回的有界通配符往往会 “弄脏” 客户机代码。如果某方法返回一个 Box<? extends T>,那么接收返回类型的变量的类型必须是 Box<? extends T>,这将处理有界通配符的工作推给了调用者。有界通配符最适合用于 API,而不是客户机代码。

结束语

有界通配符对于提高泛型 API 的灵活性极其有用。正确使用有界通配符的最大绊脚石是认为没有必要使用它们。有些情况适合使用下限通配符,而另一些情况则适合使用上限通配符,通过 get-put 原则可以判断应该使用哪种通配符。

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