从零开始来看一下Java泛型的设计
引言
泛型是Java中一个非常重要的知识点，在Java集合类框架中泛型被广泛应用。本文我们将从零开始来看一下Java泛型的设计，将会涉及到通配符处理，以及让人苦恼的类型擦除。
泛型基础
泛型类
我们首先定义一个简单的Box类：
public class Box {
private String object;
public void set(String object) { this.object = object; }
public String get() { return object; }
}
这是最常见的做法，这样做的一个坏处是Box里面现在只能装入String类型的元素，今后如果我们需要装入Integer等其他类型的元素，还必须要另外重写一个Box，代码得不到复用，使用泛型可以很好的解决这个问题。
public class Box<T> {
// T stands for "Type"
private T t;
public void set(T t) { this.t = t; }
public T get() { return t; }
}
这样我们的 Box 类便可以得到复用，我们可以将T替换成任何我们想要的类型：
Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();
Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();
Box<String> stringBox = new Box<String>();
泛型方法
看完了泛型类，接下来我们来了解一下泛型方法。声明一个泛型方法很简单，只要在返回类型前面加上一个类似 <K, V> 的形式就行了：
public class Util {
public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
p1.getValue().equals(p2.getValue());
}
}
public class Pair<K, V> {
private K key;
private V value;
public Pair(K key, V value) {
this.key = key;
this.value = value;
}
public void setKey(K key) { this.key = key; }
public void setValue(V value) { this.value = value; }
public K getKey() { return key; }
public V getValue() { return value; }
}
我们可以像下面这样去调用泛型方法：
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);
或者在Java1.7/1.8利用type inference，让Java自动推导出相应的类型参数：
Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);
边界符
现在我们要实现这样一个功能，查找一个泛型数组中大于某个特定元素的个数，我们可以这样实现：
public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;
for (T e : anArray)
if (e > elem) // compiler error
++count;
return count;
}
但是这样很明显是错误的，因为除了 short, int, double, long, float, byte, char 等原始类型，其他的类并不一定能使用操作符 > ，所以编译器报错，那怎么解决这个问题呢？答案是使用边界符。
public interface Comparable<T> {
public int compareTo(T o);
}
做一个类似于下面这样的声明，这样就等于告诉编译器类型参数 T 代表的都是实现了 Comparable 接口的类，这样等于告诉编译器它们都至少实现了 compareTo 方法。
public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
int count = 0;
for (T e : anArray)
if (e.compareTo(elem) > 0)
++count;
return count;
}
通配符
在了解通配符之前，我们首先必须要澄清一个概念，还是借用我们上面定义的Box类，假设我们添加一个这样的方法：
public void boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }
那么现在 Box<Number> n 允许接受什么类型的参数？我们是否能够传入 Box<Integer> 或者 Box<Double> 呢？答案是否定的，虽然Integer和Double是Number的子类，但是在泛型中 Box<Integer> 或者 Box<Double> 与 Box<Number> 之间并没有任何的关系。这一点非常重要，接下来我们通过一个完整的例子来加深一下理解。
首先我们先定义几个简单的类，下面我们将用到它：
class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}
下面这个例子中，我们创建了一个泛型类 Reader ，然后在 f1() 中当我们尝试 Fruit f = fruitReader.readExact(apples); 编译器会报错，因为 List<Fruit> 与 List<Apple> 之间并没有任何的关系。
public class GenericReading {
static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());
static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());
static class Reader<T> {
T readExact(List<T> list) {
return list.get(0);
}
}
static void f1() {
Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>();
// Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
// Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
}
public static void main(String[] args) {
f1();
}
}
但是按照我们通常的思维习惯，Apple和Fruit之间肯定是存在联系，然而编译器却无法识别，那怎么在泛型代码中解决这个问题呢？我们可以通过使用通配符来解决这个问题：
static class CovariantReader<T> {
T readCovariant(List<? extends T> list) {
return list.get(0);
}
}
static void f2() {
CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>();
Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public static void main(String[] args) {
f2();
}
这样就相当与告诉编译器， fruitReader的readCovariant方法接受的参数只要是满足Fruit的子类就行(包括Fruit自身)，这样子类和父类之间的关系也就关联上了。
PECS原则
上面我们看到了类似 <? extends T> 的用法，利用它我们可以从list里面get元素，那么我们可不可以往list里面add元素呢？我们来尝试一下：
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 Orange())
// 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);
}
}
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答案是否定，Java编译器不允许我们这样做，为什么呢？对于这个问题我们不妨从编译器的角度去考虑。因为 List<? extends Fruit> flist 它自身可以有多种含义：
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();
当我们尝试add一个Apple的时候，flist可能指向 new ArrayList<Orange>() ;
当我们尝试add一个Orange的时候，flist可能指向 new ArrayList<Apple>() ;
当我们尝试add一个Fruit的时候，这个Fruit可以是任何类型的Fruit，而flist可能只想某种特定类型的Fruit，编译器无法识别所以会报错。
所以对于实现了 <? extends T> 的集合类只能将它视为Producer向外提供(get)元素，而不能作为Consumer来对外获取(add)元素。
如果我们要add元素应该怎么做呢？可以使用 <? super T> ：
public class GenericWriting {
static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();
static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
list.add(item);
}
static void f1() {
writeExact(apples, new Apple());
writeExact(fruit, new Apple());
}
static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
list.add(item)
}
static void f2() {
writeWithWildcard(apples, new Apple());
writeWithWildcard(fruit, new Apple());
}
public static void main(String[] args) {
f1(); f2();
}
}
这样我们可以往容器里面添加元素了，但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了，原因很简单，我们继续从编译器的角度考虑这个问题，对于 List<? super Apple> list ，它可以有下面几种含义：
List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();
当我们尝试通过list来get一个Apple的时候，可能会get得到一个Fruit，这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。
根据上面的例子，我们可以总结出一条规律，”Producer Extends, Consumer Super”：
“Producer Extends” – 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用 ? extends T 。
“Consumer Super” – 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用 ? super T 。
如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。
如何阅读过一些Java集合类的源码，可以发现通常我们会将两者结合起来一起用，比如像下面这样：
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));
}
}
类型擦除
