第28條:利用有限制通配符來提升API靈活性

如第25條所述,參數化類型是 不可變的(invariant)。換句話說,對于任何兩個截然不同的類型tyle1和type2來說,List<Type1>既不是List<Type2>的子類型,也不是他的超類型。雖然List<String>不是List<Object>的子類型,這與直覺相悖,但是實際上很有意義。你可以將任何對象放進一個List<Object>中,卻只能將字符串放進<String>中。

有時候,我需要的靈活性要比不可變類型所能提供的更多。考慮第26條中的堆棧下面就是他的公共API:

public class Stack<E> {
    public Stack();
    public void push(E e);
    public E pop();
    public boolean isEmpty();
}

假設我們想要增加一個方法,讓她按照順序將一系列的元素全部放到堆棧中。這是第一次嘗試,如下:

// pushAll method without wildcard type - deficient;  
public void pushAll(Iterable<E> src) {  
    for (E e: src)  
        push(e);  
}  

這個方法編譯的時候正確無誤,但是并非盡如人意,如果Iterable src的元素類型與堆棧的完全匹配,那就沒有問題,但是假如有一個Stack<Number>,并且調用了push(intVal),這里的intVal就是Integer類型。這是可以的,因為Integer是Number的一個子類型,因此從邏輯上來說,下面這斷代碼應該是可行的:

Stack<Number> numberStack = new Stack<Number>();  
Iterable<Integer> integers = ...;  
numberStack.pushAll(integers);  

但是實際上運行這段代碼會得到錯誤,錯誤如下:

P1.png

原因在于Iterable<Integer>并不是Iterable<Number>的子類型(參數化類型是不可變的,相應的概念為,數組是協變的),幸運 的是Java提供了一種解決方法,稱為有限制的通配符類型來處理這種情況。使用有限制的通配符Iterable<? extends E>即可解決這個問題(注意,確定了子類型后,第一個類型便都是自身的子類型),修改后的程序如下:

// Wildcard type for parameter that serves as an E producer  
public void pushAll(Iterable<? extends E> src) {  
    for (E e: src)  
        push(e);  
} 

這么修改了之后,不僅Stack可以正確無誤的編輯,沒有通過初試的pushAll聲明進行編譯的客戶端代碼也一樣可以,因為Stack及其客戶端正無誤的進行了編譯,你就知道一切都是類型安全的了。

對應的,假如我們要編譯一個popAll方法,初次嘗試如下:

// popAll method without wildcart type - deficient;  
public void popAll(Collection<E> dst) {  
    while(!isEmpty())  
        dst.add(pop());  
}  

如果目標集合的元素類型與堆棧完全匹配,這段代碼編譯時還是會正確無誤的。運行得很好,但是,也并不意味著盡如人意。假設你有一個Stack<Number>和類型Object變量,如果從堆棧中彈出一個元素,并將它保存在該變量中,它的編譯和運行都不會出錯,考慮如下代碼 :

Stack<Number> numberStack = new Stack<Number>();  
Collection<Object> objects = ...;  
numberStack.popAll(objects);  

運行這段代碼會得到一個與pushAll第一種情況類似的錯誤:


P2.png

對于這種情況java同樣提供了一種對應的有限制通配符來解決,popAll的輸入參數類型不應該為“E的集合”,而應該為“E的某種超類的集合”。通配符:Collection<? super E>,根據這種方法修改后的代碼如下:

public void popAll(Collection<? super E> dst) {  
    while(!isEmpty())  
        dst.add(pop());  
}  

由上面這兩種情況可以看出,有限制的通配符類型放寬了檢查的類型,為了獲得最大限度的靈活性,要在表示生產者或者消費者的輸入參數上使用通配符類型。如果某個輸入參數既是生產者,又是消費者,那么通配符類型就沒有什么好處了,因為需要的是嚴格的類型匹配,這是不用任何通配符而得到的。

下面的助記符便于讓你記住要使用哪種通配符類型類型:
**PESC表示producter-extends, consumer-super. **

如果參數化類型表示一個T生產者,就使用<? extends T>;如果它表示一個T消費者,就使用<? super T>。
在我們的Stack實例中,pushAll的src參數產生E實例供Stack使用,因此src相應的類型為Iterable<? extends E>;popAll的dst參數通過Stack消費E實例,因此dst的相應類型為Collection<? super E>。PECS這個助記符突出了使用通配符類型的基本原則。Naftalin和wadler稱之為Get and Put Principle
下面是第25條中的reduce方法就有這條聲明:

static <E> E reduce(List<E> list, Function<E> f, E initVal){
        E[] snapshot = (E[])list.toArray();
        E result = initVal;
        for (E e:snapshot) {
            result = f.apply(result, e);
        }
        return result;
    }

雖然列表既可以消費也可以是、產生值,reduce方法還是只用他的list啊、參數作為E生產者,因此他得聲明就應該使用一個extends E得通配符類型。參數f表示既可以消費又可以產生E實例的函數,因此通配符類型不適合他,得到的聲明如下:

static <E> E reduce(List<? extends E> list, Function<E> f, E initVal);

假設有一個List<Integer>,想通過Function<Number>把他簡化。他不能通過初始聲明進行編譯,但是一旦添加了有限制的通配符類型就可以了。

27條中的union方法:

public static <E> Set<E> union(Set<E> s1, Set<E> s2){
        Set<E> result = new HashSet<E>(s1);
        result.addAll(s2);
        return  result;
    }

試想一下如下調用:

Set<Integer> integers = ...;  
Set<Double> doubles = ...;  
Set<Number> numbers = union(integers, doubles);  

重寫為:

public static <E> Set<E> union(Set<? extends E> s1, Set<? extends E> s2){
        Set<E> result = new HashSet<E>(s1);
        result.addAll(s2);
        return  result;
    }

但是實際上,這段代碼中的union方法,編譯器推斷不出需要返回什么類型,所以依然會編譯報錯(1.8不報錯),但是可以顯示指明這一點。

Set<Number> numbers = Union.<Number>union(integers, doubles);  

接下來再看27條的max方法:

public static <T extends Comparable<T>> T max(List<T> list){
        Iterator<T> i = list.iterator();
        T result = i.next();
        while (i.hasNext()){
            T t = i.next();
            if (t.compareTo(result) > 0){
                result = t;
            }
        }
        return result;
    }

修改過后:

public static <T extends Comparable<? super T>> T max(List<T> list){
       Iterator<T> i = list.iterator();
       T result = i.next();
       while (i.hasNext()){
           T t = i.next();
           if (t.compareTo(result) > 0){
               result = t;
           }
       }
       return result;
   }

那么上面這樣復雜的修改真的有用嗎?實際上的確是有用的。

List<ScheduledFuture<?>> scheduledFutures = new ArrayList<>();

在沒有使用有限制通配符時,如果將scheduledFutures 作為參數傳給max方法,會得到如下報錯:

P4.png

由于ScheduledFuture沒有實現Comparable<ScheduledFuture>借口,相反,他是擴展Comparable<Delayed>接口的Delayed接口的子接口。
在使用了有限制的通配符之后就可以進行比較了。

public interface ScheduledFuture<V> extends Delayed, Future<V> {}
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {}

但是你以為這樣就完了嗎?圖樣圖森破!這段代碼實際上是會編譯報錯的。

P5.png

他意味著list不是一個List<T>,因此它的iterator方法沒有返回Iterator<T>。他返回的是T的某個子類型的一個iterator,因此要對iterator進行修改:

public static <T extends Comparable<? super T>> T max(List<T> list){
       Iterator<? extends T> i = list.iterator();
       T result = i.next();
       while (i.hasNext()){
           T t = i.next();
           if (t.compareTo(result) > 0){
               result = t;
           }
       }
       return result;
   }

這樣迭代器的next方法返回的元素屬于T的某個子類型,因此讓門可以被安全的保存在類型T的一個變量中。

還有一個與通配符有關的話題值得探討。類型參數和通配符之間具有雙重性,許多方法都可以利用其中一個或者另一個進行聲明。例如,下面是可能的兩種靜態方法聲明,來交換列表中的兩個被索引的項目。第一個使用無限制的類型參數,第二個使用無限制的通配符。

// Two possible declarations for the swap method  
public static <E> void swap(List<E> list, int i, int j);  
public static void swap(List<?> list, int i, int j);  

在公共API中第二種方法更好一些,因為它更簡單。一般來說,如果類型參數只在方法聲明中出現一次,就可以用通配符取代它。如果是無限制的類型參數就用無限制的通配符來取代,如果 是有限制的類型參數,就用有限制的通配符來取代。但是,第二種方法存在一個問題,它優先使用通配符而非類型參數,下面的簡單實現都實現不了:

public static void swap(List<?> list, int i, int j) {  
    list.set(i, list.set(j, list.get(i)));  
} 

編譯錯誤:


P6.png

書上的錯誤:


P7.png

這段代碼編譯時會出錯,我們干了什么?取出元素再放回到表中,為什么這不成功呢?因為list是無限通配符類型List<?>,以前說過,除了null以外的任何對象都無法放入其中。幸運的是,有一種方式可以實現第二種方法,無需求助不安全的轉換或者原始類型。這種想法 就是編寫一個私有輔助方法來捕捉通配符類型。為了捕捉類型,輔助方法必須是泛型方法,因為并不知道通配符代表的具體類型。如下:

public static void swap(List<?> list, int i, int j) {  
    swapHelper(list, i, j);  
}  
  
// Private helper method for wildcard capture  
private static <E> void swapHelper(List<E> list, int i, int j) {  
    list.set(i, list.set(j, list.get(i)));  
}  

swapHelper方法知道list是List<E>。因此,他知道從這個列表中取出的任何值均為E類型,并知道將E類型的任何值放進列表都是安全的。

總之,在API中使用通配符類型雖然比較需要技巧,但是使API變得靈活的多,如果在寫的是一個將被廣泛使用的類庫,則一定要適當地利用通配符類型,記住基本的原則:PECS,還要記得所有的comparable和comparator都是消費者。

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