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Java泛型通配符详解

本文转载自:https://www.zhihu.com/question/20400700

加了一点自己的想法。这里吐槽一下《Java核心技术卷1》这一章的翻译者,翻译的是个什么鬼。

<? extends T><? super T>是Java泛型中的“通配符(Wildcards)”“边界(Bounds)”的概念。

  • <? extends T>:是指 “上界通配符(Upper Bounds Wildcards)”
  • <? super T>:是指 “下界通配符(Lower Bounds Wildcards)”

hexo 显示尖括号有问题,导向github:

https://github.com/ravenxrz/ravenxrz.github.io/blob/master/source/_posts/Java%E6%B3%9B%E5%9E%8B%E9%80%9A%E9%85%8D%E7%AC%A6%E8%AF%A6%E8%A7%A3.md

1. 为什么要用通配符和边界?

使用泛型的过程中,经常出现一种很别扭的情况。比如按照题主的例子,我们有Fruit类,和它的派生类Apple类。

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class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}

然后有一个最简单的容器:Plate类。盘子里可以放一个泛型的“东西”。我们可以对这个东西做最简单的“放”和“取”的动作:set( )get( )方法。

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class Plate<T>{
private T item;
public Plate(T t){item=t;}
public void set(T t){item=t;}
public T get(){return item;}
}

现在我定义一个“水果盘子”,逻辑上水果盘子当然可以装苹果。

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Plate<Fruit> p=new Plate<Apple>(new Apple());

但实际上Java编译器不允许这个操作。会报错,“装苹果的盘子”无法转换成“装水果的盘子”。

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error: incompatible types: Plate<Apple> cannot be converted to Plate<Fruit>

所以我的尴尬症就犯了。实际上,编译器脑袋里认定的逻辑是这样的:

  • 苹果 IS-A 水果
  • 装苹果的盘子 NOT-IS-A 装水果的盘子

所以,就算容器里装的东西之间有继承关系,但容器之间是没有继承关系的。所以我们不可以把Plate的引用传递给Plate。

为了让泛型用起来更舒服,Sun的大脑袋们就想出了<? extends T><? super T>的办法,来让“水果盘子”和“苹果盘子”之间发生关系。

2. 什么是上界?

下面代码就是“上界通配符(Upper Bounds Wildcards)”:

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Plate<? extends Fruit>

翻译成人话就是:一个能放水果以及一切是水果派生类的盘子。再直白点就是:啥水果都能放的盘子。这和我们人类的逻辑就比较接近了。Plate<? extends Fruit>Plate<Apple>最大的区别就是:Plate<? extends Fruit>Plate<Fruit>以及Plate<Apple>的基类。直接的好处就是,我们可以用“苹果盘子”给“水果盘子”赋值了。

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Plate<? extends Fruit> p=new Plate<Apple>(new Apple());

如果把Fruit和Apple的例子再扩展一下,食物分成水果和肉类,水果有苹果和香蕉,肉类有猪肉和牛肉,苹果还有两种青苹果和红苹果。

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//Lev 1
class Food{}

//Lev 2
class Fruit extends Food{}
class Meat extends Food{}

//Lev 3
class Apple extends Fruit{}
class Banana extends Fruit{}
class Pork extends Meat{}
class Beef extends Meat{}

//Lev 4
class RedApple extends Apple{}
class GreenApple extends Apple{}

在这个体系中,下界通配符 Plate<? extends Fruit> 覆盖下图中蓝色的区域。

3. 什么是下界?

相对应的,“下界通配符(Lower Bounds Wildcards)”:

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Plate<? super Fruit>

表达的就是相反的概念:一个能放水果以及一切是水果基类的盘子。Plate<? super Fruit>Plate<Fruit>的基类,但不是Plate<Apple>的基类。对应刚才那个例子,Plate<? super Fruit>覆盖下图中红色的区域。

4. 上下界通配符的副作用

边界让Java不同泛型之间的转换更容易了。但不要忘记,这样的转换也有一定的副作用。那就是容器的部分功能可能失效。

还是以刚才的Plate为例。我们可以对盘子做两件事,往盘子里set()新东西,以及从盘子里get()东西。

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class Plate<T>{
private T item;
public Plate(T t){item=t;}
public void set(T t){item=t;}
public T get(){return item;}
}

4.1 上界<? extends T>不能往里存,只能往外取

<? extends Fruit>会使往盘子里放东西的set( )方法失效。但取东西get( )方法还有效。比如下面例子里两个set()方法,插入Apple和Fruit都报错。

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Plate<? extends Fruit> p=new Plate<Apple>(new Apple());

//不能存入任何元素
p.set(new Fruit()); //Error
p.set(new Apple()); //Error

//读取出来的东西只能存放在Fruit或它的基类里。
Fruit newFruit1=p.get();
Object newFruit2=p.get();
Apple newFruit3=p.get(); //Error

原因是编译器只知道容器内是Fruit或者它的派生类,但具体是什么类型不知道。可能是Fruit?可能是Apple?也可能是Banana,RedApple,GreenApple?编译器在看到后面用Plate赋值以后,盘子里没有被标上有“苹果”。而是标上一个占位符:CAP#1,来表示捕获一个Fruit或Fruit的子类,具体是什么类不知道,代号CAP#1。然后无论是想往里插入Apple或者Meat或者Fruit编译器都不知道能不能和这个CAP#1匹配,所以就都不允许。

所以通配符<?>和类型参数的区别就在于,对编译器来说所有的T都代表同一种类型。比如下面这个泛型方法里,三个T都指代同一个类型,要么都是String,要么都是Integer。

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public <T> List<T> fill(T... t);

但通配符<?>没有这种约束,Plate<?>单纯的就表示:盘子里放了一个东西,是什么我不知道。

所以题主问题里的错误就在这里,Plate<? extends Fruit>里什么都放不进去。

4.2 下界<? super T>不影响往里存,但往外取只能放在Object对象里

使用下界<? super Fruit>会使从盘子里取东西的get( )方法部分失效,只能存放到Object对象里。set( )方法正常。

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Plate<? super Fruit> p=new Plate<Fruit>(new Fruit());


//存入元素正常
p.set(new Fruit());
p.set(new Apple());


//读取出来的东西只能存放在Object类里。
Apple newFruit3=p.get(); //Error
Fruit newFruit1=p.get(); //Error
Object newFruit2=p.get();

因为下界规定了元素的最小粒度的下限,实际上是放松了容器元素的类型控制。既然元素是Fruit的基类,那往里存粒度比Fruit小的都可以。但往外读取元素就费劲了,只有所有类的基类Object对象才能装下。但这样的话,元素的类型信息就全部丢失。

个人之前一直不能理解super关键字,说好包含的是Fruit基类(包含Fruit)呢?为什么可以set Apple。知道回忆起多态两个字,马上懂了。这里说的“包含”其实是“指向”的意思,即

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Plate<? super Fruit> p=new Plate<Fruit>(new Fruit());

“=”的右边可以指向的限定在Fruit及其超类罢了。

这两个关键字其实很简单,就是被这里误会它的意思了。

4.3 PECS原则

最后看一下什么是PECS(Producer Extends Consumer Super)原则,已经很好理解了:

  • 频繁往外读取内容的,适合用上界Extends。
  • 经常往里插入的,适合用下界Super。

5.无边界通配符

还有一种通配符是无边界通配符,它的使用形式是一个单独的问号:List<?>,也就是没有任何限定。不做任何限制,跟不用类型参数的 List 有什么区别呢?

List<?> list 表示 list 是持有某种特定类型的 List,但是不知道具体是哪种类型。那么我们可以向其中添加对象吗?当然不可以,因为并不知道实际是哪种类型,所以不能添加任何类型,这是不安全的。而单独的 List list ,也就是没有传入泛型参数,表示这个 list 持有的元素的类型是 Object,因此可以添加任何类型的对象,只不过编译器会有警告信息。

6. 总结

通配符的使用可以对泛型参数做出某些限制,使代码更安全,对于上边界和下边界限定的通配符总结如下:

  • 使用 List<? extends C> list 这种形式,表示 list 可以引用一个 ArrayList ( 或者其它 List 的 子类 ) 的对象,这个对象包含的元素类型是 C 的子类型 ( 包含 C 本身)的一种。
  • 使用 List<? super C> list 这种形式,表示 list 可以引用一个 ArrayList ( 或者其它 List 的 子类 ) 的对象,这个对象包含的元素就类型是 C 的超类型 ( 包含 C 本身 ) 的一种。

参考

  • Java 泛型 <? super T> 中 super 怎么 理解?与 extends 有何不同?
  • Java 泛型总结(三):通配符的使用
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