Kotlin 泛型

发表于 2016-11-26 更新于 2017-04-14 分类于 Kotlin 阅读次数：

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1. 声明和实例化

和 Java 一样，Kotlin 使用类型参数来声明一个泛型类

class Box<T>(t: T) {
  var value = t
}

而在实例化时，我们需要显式给出类型参数

val box: Box<Int> = Box<Int>(1)

但是，如果类型能够被推断出，那么类型参数可以被省略

val box = Box(1) // 1 has type Int, so the compiler figures out that we are talking about Box<Int>

2. Java 中的泛型可变性

在 Java 中，泛型是不可变的。
也就是说 List<Object> 不能接受一个 String 对象。

// Java
List<String> strs = new ArrayList<String>();
List<Object> objs = strs; // !!! The cause of the upcoming problem sits here. Java prohibits this!

objs.add(1); // Here we put an Integer into a list of Strings

String s = strs.get(0); // !!! ClassCastException: Cannot cast Integer to String

但是我们又需要实现一个接受泛型对象的方法，例如 addAll()

// Java
// Wrong implementation
interface Collection<E> ... {
  void addAll(Collection<E> items);
}

但是由于泛型不可变，这样的实现实际上是错误的。

所以 Java 引入了通配符(?)，使用 extends 和 super 来对通配符进行限制。

// Java
// Correct implementation
interface Collection<E> ... {
  void addAll(Collection<? extends E> items);
}

2.1.1 `<? extends T>` 和 `<? super T>` 的区别

何时使用 extends 和 super，Java 有一个 PECS 原则。

PECS 的意思是 Producer Extends, Consumer Super。

即对于生产者，使用 extends，
对于消费者，使用 super，
如果一个类既要生产，也要消费，那么就不对通配符进行限制。

究其原因，还是得从这两者特性说起。

2.1.1.1 `<? extends T>`

实际上，对于使用了 <? extends T> 的类，编译器会阻止向其加入任何的元素。

例如：

List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> fruits = apples; //works, apple is a subclass of Fruit.
fruits.add(new Strawberry());        //compile error

fruits 是一个 Fruit 的子类的 List ,由于 Apple 是 Fruit 的子类，因此将 apples 赋给 fruits 是合法的。

但是编译器会阻止将 Strawberry 加入 fruits。
因为编译器只知道 fruits 是 Fruit 的某个子类的 List，
但并不知道究竟是哪个子类，为了类型安全，只好阻止向其中加入任何子类。

那么可不可以加入 Fruit 呢？
很遗憾，也不可以。

但是由于编译器知道 fruits 中的元素总是 Fruit 的子类，
所以可以安全的将其取出。

Fruit fruit = fruits.get(0);

2.1.1.2 `<? super T>`

使用 super 的原因其实并不如使用 extends 的原因那样复杂。

使用 super 只是为了为了保证能向其加入 T，或者是对其调用接受 T 作为参数的方法。

有趣的是，编译器并没有禁止在这种类型上调用 get() 方法，
但是需要注意的是，如果调用 get()，返回的是 Object 而不是具体的 T 类型。

所以在 <? super T> 对象上，只能进行消费，即调用以 T 为参数的方法。

神奇的是，虽然类型是 super，但是却不能加入一个具体的超类，而可以加入一个具体的子类。

其原因就是编译器无法确定加入的超类究竟是哪一个，而 T 作为参数时，可以接受一个子类。

3. Kotlin 的改进： Declaration-site variance

在 Java 中，如果一个接口只返回泛型，而不对泛型进行操作，那么将其赋给超类泛型就是安全的。

// Java
interface Source<T> {
  T nextT();
}

void demo(Source<String> strs) {
  Source<Object> objects = strs; // !!! Not allowed in Java
  // ...
}

由于 Source<T> 中只有返回 T 的方法，所以即使对 objects 进行操作，也只能返回 T，
而 Object 是 T 的超类或者它本身，所以这是安全的。

但是在 Java 中不允许这样的写法，你依旧要使用 Sorce<? extends String>，这显得毫无意义。

在 Kotlin 中，对于这样的情形，定义了 out 标识符，使用 out 标识符来说明，类、接口只会返回泛型，而不会接受泛型作为参数。

abstract class Source<out T> {
  abstract fun nextT(): T
}

fun demo(strs: Source<String>) {
  val objects: Source<Any> = strs // This is OK, since T is an out-parameter
  // ...
}

同样的，定义了 in 标识符，用于表明类、接口只会接受 T 作为参数，而不会返回它。

abstract class Comparable<in T> {
  abstract fun compareTo(other: T): Int
}

fun demo(x: Comparable<Number>) {
  x.compareTo(1.0) // 1.0 has type Double, which is a subtype of Number
  // Thus, we can assign x to a variable of type Comparable<Double>
  val y: Comparable<Double> = x // OK!
}

与 Java 不同的是，Kotlin 并没有定义一个口诀来帮助记忆，out 和 in 已经足够说明其属性。

out 代表着类、接口只会给出T，相当于 T 的生产者；
in 代表着类、接口只会接受 T，相当于 T 的消费者。

这些词语的表意性已经十分明确了。

4. 类型预测

对于一个既能生产又能消费的类，我们就不能在声明阶段限定它的泛型类型。例如：

class Array<T>(val size: Int) {
  fun get(index: Int): T { /* ... */ }
  fun set(index: Int, value: T) { /* ... */ }
}

但是对于如下方法

fun copy(from: Array<Any>, to: Array<Any>) {
  assert(from.size == to.size)
  for (i in from.indices)
    to[i] = from[i]
}

这个方法的目的是将一个类的元素复制到另一个类中去，如果进行如下的调用：

val ints: Array<Int> = arrayOf(1, 2, 3)
val any = Array<Any>(3)
copy(ints, any) // Error: expects (Array<Any>, Array<Any>)

一个 Array<Any> 当然可以接受一个 Int 的值，理论上来说这段代码是完全没有问题的。

但是编译器阻止这么使用的原因在于：
Array<T> 类既可以生产又可以消费，
如果我们向 from 中添加一个 Any 对象（因为 from 的形参是 Array<Any>），
但是当前 from 是 Int，当然这就会导致 ClassCastException。

为了防止这种不安全的事情发生，编译器就禁止了上述操作。

但是，只要 from 不进行消费操作，那么这段代码就是类型安全的。

所以，Kotlin 除了提供在声明阶段进行泛型限制以外，还可以在调用阶段进行泛型限制。

在 copy() 方法中，如果我们限制 from 只会生产，而不会消费，那么上面的调用就是安全的了。

fun copy(from: Array<out Any>, to: Array<Any>) {
 // ...
}

Kotlin 的这种特性，我们称之为类型预测：from 不仅仅只是一个简单的 Array，而且它受到了限制，它的类型已经被预测了。

同样，我们也可以使用 in 来指明一个变量只会消费，而不会生产。

fun fill(dest: Array<in String>, value: String) {
  // ...
}

事实上， <out T> 相当于 Java 的 <? extends T>；<in T> 相当于 Java 的 <? super T>

5. 星号

除了上述的泛型类型限制外，Kotlin 还提供了一个星号类型(*)。
这和 Java 的通配符(?)很相似，当你不知道具体的泛型类型，而又想使用它时，那么就可以使用星号类型。

具体来说：

对于 Foo<out T>，Foo<*> 意味着 Foo<out TUpper>，TUpper 指的是 Foo() 方法所给定的泛型上界。也就是说当 T 是未知的时候，你可以从 Foo<*>读取**T 的上界**
对于 Foo<in T>，Foo<*> 指的是 Foo<in Nothing>，意思是当 T 未知时，你不能向 Foo<*> 中写入任何东西。
对于 Foo<T>，T 是一个不可变的泛型类型，所以 Foo<*> 表示 Foo<out TUpper> 和 Foo<in Nothing>

一个更为通俗的解释如下：

对于接口声明 interface Function<in T, out U>：

Function<*, String> 表示 Function<in Nothing, String>
Function<String, *> 表示 Function<String, out Any?>
Function<*, *> 表示 Function<in Nothing, out Any?>

6. 泛型方法

与 Java 一样，Kotlin 中的方法也可以有泛型。

fun <T> singletonList(item: T): List<T> {
  // ...
}

fun <T> T.basicToString() : String {  // extension function
  // ...
}

调用方法：

val l = singletonList<Int>(1)

7. 泛型约束

与 Java 一样，Kotlin 也拥有泛型约束，这用在当泛型参数 T 未知时，用于对 T 的类型做出限制，即 TUpper

最常用的泛型约束就是上界，Java 中使用 extends 来指明上界。

Kotlin 使用冒号(:) 来指明上界。

fun <T : Comparable<T>> sort(list: List<T>) {
  // ...
}

用法举例：

sort(listOf(1, 2, 3)) // OK. Int is a subtype of Comparable<Int>
sort(listOf(HashMap<Int, String>())) // Error: HashMap<Int, String> is not a subtype of Comparable<HashMap<Int, String>>

默认的上界是 Any?（? 说明可以为空nullable）。

只有一个上界可以在尖括号中被指定，如果需要对同一个泛型参数指定多个上界，则需要使用 where 语句。

fun <T> cloneWhenGreater(list: List<T>, threshold: T): List<T>
    where T : Comparable,
          T : Cloneable {
  return list.filter { it > threshold }.map { it.clone() }
}

注意 Comparable 和 Cloneable 都是接口。