Java 泛型通配符和类型限定

发表于 2017-03-16 更新于 2017-04-14 分类于 Java 阅读次数：

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1. 概述

对于泛型系统而言，最重要的就是能够领过的使用；

所以，Java 增加了 类型通配符(?)；

使用 ? 来表示 任何类型；

例如：

Pair<? extends Employee>

表示任何是 Empolyee 的子类；

2. 与类型参数 `T` 的不同

类型参数 T 和通配符 ? 似乎都是用于实现泛型灵活性的工具；

但是，实际上它们有着很大的不同

2.1 使用位置不同

在泛型中，类型参数 T 是一个 确定的 类型，

通常用于泛型类和泛型方法的定义，不能用于调用代码。

public static <T extends Number> void
copy(List<T> dest, List<T> src)

而通配符是一个 不确定 的类型，通常用于泛型方法的 调用代码 和形参，不能用于定义类和泛型方法

Pair<? Empolyee> wildcardBuddies = managerBuddies;

2.2 类型参数保证形参一致性

基于 T 是一个确定的类型，那么就可以通过 T 来确保泛型参数的一致性；

例如上面的 copy() 方法，使用泛型参数 T 就 确保了 两个 List 的元素类型是 一致的；

但是，如果使用如下的代码：

public static void
copy(List<? extends Number> dest, List<? extends Number> src)

由于通配符是 不确定的，所以这个方法不能保证两个 List 具有相同的元素类型

2.3 类型参数可以多重限定而通配符不行

类型参数 T 可以进行多重限定，如：

T extends A & B & C

但是通配符不能进行多重限定，因为它不是一个确定的类型。

2.4 通配符可以使用超类限定而类型参数不行

类型参数 T 只具有一种类型限定方式：

T extends A

但是通配符 ? 可以进行 两种限定：

? extends A
? super A

3. 通配符类型限定和继承

对于泛型来说，即使它的类型参数具有继承关系，泛型类之间也是没有任何关联的；

但是，通过通配符的限定，就让泛型类之间具有了公有的父类；

例如：

Pair<? extends Empolyee> 是 Pair<Manager> 和 Pair<Empolyee> 的 公共超类；

事实上， Pair<? extends Empolyee> 是 Pair<Empolyee> 和所有以 Empolyee 子类为类型参数的泛型类的超类。

对于超类型限定，同理；

? super Empolyee

表示类型参数可能是 Empolyee 的 某个超类；

和子类型限定同理，超类型限定也可以为泛型类建立联系：

如上，Pair<? super Manager> 是 Pair<Empolyee> 和 Pair<Object> 的共同超类。

需要注意的是，在 Pair<? super Manager> 之上，还有一个 无限定通配符，指代任何的类型。

4. PECS 原则

PECS 原则，指的就是 Producer Extends Consumer Super

意思就是，对于生产者，采用 ? extends；

对于消费者，采用 ? super；

对于既可能是生产者有可能是消费者的对象，则 不做类型限定。

首先说明所谓的生产者和消费者的主语都是 数据结构；

例如：

List<? extends Number> producer;

那么，List 就是 生产者，提供数据，调用 get() 方法，外部使用者提取其内部数据。

反过来，对于

List<? super Number> consumer;

那么此时，List 就是 消费者，接收数据，调用 add() 方法，外部使用者将数据注入结构中。

实际上，这个原则是为了能够在泛型中提供尽可能的类型安全的写法。

4.1 生产者的读方法

List<? extends Number> numbers;

这个就是很典型的生产者；

由于使用了上界限定，那么它保证其中的元素一定是 Number；

所以它可以调用 get() 方法；

4.2 生产者的写方法

但是此时，生产者不可以使用写方法；

这是因为 ? extends Number 只是限定了上界；

换句话说也就是 Number 的某个 子类型；

由于不知道具体是哪个子类型，所以，也就无法对其进行写入。

那么是否可以写入 Number 对象呢？

很可惜，这也是不可以的，因为 Number 是上界，很可能由于多态的原因变成了它的某个子类；

所以对于 ? extends 来说，禁止所有的写入操作。

4.3 消费者的读方法

根据原则，具有下面类型的是消费者：

List<? super Number> numbers;

对于消费者来说，它接受的是 Number 的某个超类型；

那么，由于不清楚是哪个超类型；

所以，实际上返回的是最终的 Object 对象；

这显然对于读取没有什么帮助，如果读到一个 Object 类型，用户还需要将其转化为对应的子类型；

这显然是多此一举的。

注意，消费者 并非是禁止 读操作的访问

4.4 消费者的写操作

那么对于写操作如何呢？

List<? super Integer> numbers = new ArrayList<Integer>;

此时，对于 numbers 来说，可以使用 add() 方法加入 Integer；

但是，能否加入 Number 元素呢？(Number 是 Integer 的超类)；

很遗憾，这是 不行的！；

numbers 目前只能写入 Integer 及其子类；

因为 Integer 的子类也是 Integer ，数据结构将子类当成 Integer 来处理

实际上，你 无法加入任何的超类！

如果允许加入 Number 甚至是 Object，那会造成什么结果呢？

就是一个 Integer 的列表中混入了 Object；

显然这是不合理的。

那么为什么有必要使用 ? super 这种多此一举的声明呢？

从超类限定的关系图中我们可以看出，它在泛型类关系中，处于超类的地位；

所以，我们就可以通过它所提供的多态，来将我们目前存储的数据，加入到一个 更抽象通用的 数据结构中。

例如：

public static void count(Collection<? super Integer> ints, int n)
{
       for (int i = 0; i < n; i++) ints.add(i);
}

public static void main(String[] args) {
    List<Integer>ints = new ArrayList<>();
    count(ints, 5);
    assert ints.toString().equals("[0, 1, 2, 3, 4]");

    List<Number>nums = new ArrayList<>();
    count(nums, 5); nums.add(5.0);
    assert nums.toString().equals("[0, 1, 2, 3, 4, 5.0]");

    List<Object>objs = new ArrayList<>();
    count(objs, 5); objs.add("five");
    assert objs.toString().equals("[0, 1, 2, 3, 4, five]");
}

虽然我们的 count() 方法只能提供 Integer 数据；

但是，由于使用了 <? super Integer>，所以我们的数据可以被放入到 List<Number> 和 List<Object> 中。

由 ? super 提供的 多态支持，正是我们采用 Consumer Super 的关键。

4.5 不做限定

当一个类既可能是生产者，又可能是消费者时；

就不对它的类型作出限定。

注意这里所说的不是无限定的通配符，而是指的是普通的类型参数形式(T)。

public class Stack<T>{}

5. 无限定通配符

有时候我们会使用无限定的通配符。

例如：

Pair<?>

此时，它的 get() 返回值类型只能是 Object；

同时，不能调用 set()，即使通过 Object 也不能调用。

那么这时有什么用处呢？

我们可以用它实现一些与类型无关的操作；

如

public static boolean hasNulls(Pair<?> piar) {
    return p.getFirst() == null || p.getSecond() == null;
}

因为 hasNulls() 方法不需要关心类型是什么；

这个时候我们就可以使用无限定的通配符。

6. 通配符捕获

有时候，当我们需要实现一个无限定通配符方法的时候；

有可能遇到需要使用类型参数的问题。

例如：

public static void swap(Pair<?> pair)

但是，由于 ? 不是类型参数，所以我们需要使用一个辅助方法来实现。

public static <T> void swapHelper(Pair<T> pair) {
    T t = pair.getFirst();
    pair.setFirst(p.getSecond());
    pair.setSecond(t);
}

那么我们就可以通过下面的方法实现 swap() 方法：

public static void swap(Pair<?> pair) {
    swapHelper(pair);
}

但是，对于这个例子来说，实现一个辅助方法的确是多此一举；

我们本来就可以通过辅助方法直接实现需求；

那么为什么需要这个技巧呢？

在使用了通配符的时候，不可避免的需要使用到这个技巧：

public static void
maxminBonus(Manager[] a, Pair<? super Manager> result)
{
    minmaxBonus(a, result);
    PairAlg.swap(result);
}

由于使用了通配符，那么这个捕获技巧就不可避免的需要了。