初识Java 18-4 泛型

目录

泛型存在的问题

在泛型中使用基本类型

实现参数化接口

类型转换和警告

无法实现的重载

基类会劫持接口

自限定类型

奇异递归类型

自限定

自限定提供的参数协变性

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本笔记参考自： 《On Java 中文版》

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泛型存在的问题

        接下来讨论的，是在泛型中经常可能遇到的一些问题。

在泛型中使用基本类型

        Java的泛型并不支持基本类型，因此我们无法将其用作泛型的类型参数。一个替代的方法是使用基本类型的包装类：

【例子：通过包装类使用泛型】

import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.IntStream;public class ListOfInt {public static void main(String[] args) {List<Integer> li = IntStream.range(38, 48).boxed() // 将基本类型转换成其对应的包装类.collect(Collectors.toList());System.out.println(li);}
}

        程序执行的结果是：

        这足以应付大部分的情况。但如果真的需要追求性能，可以使用专门适配基本类型的集合，例如org.apache.commons.collections.primitives。

        或者，可以使用泛型集合来装载基本类型：

import java.util.Arrays;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;public class ByteSet {Byte[] possibles = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};Set<Byte> mySet1 =new HashSet<>(Arrays.asList(possibles));// 不可行的方式：/* Set<Byte> mySet2 =new HashSet<>(Arrays.<Byte>asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)); */
}

        在这里，自动装箱机制为我们解决了转换问题。但它不会总是有效，例如：

【例子：向数组中填充对象】

import java.util.*;
import java.util.function.*;interface FillArray {static <T> T[] fill(T[] a, Supplier<T> gen) {// 使用get()填充数组aArrays.setAll(a, n -> gen.get());return a;}static int[] fill(int[] a, IntSupplier gen) {Arrays.setAll(a, n -> gen.getAsInt());return a;}static long[] fill(long[] a, LongSupplier gen) {Arrays.setAll(a, n -> gen.getAsLong());return a;}static double[] fill(double[] a, DoubleSupplier gen) {Arrays.setAll(a, n -> gen.getAsDouble());return a;}
}interface Rand {// SplittableRandom也是用于生成随机数的类SplittableRandom r = new SplittableRandom(47);class StringGenerator implements Supplier<String> {int strlen;StringGenerator(int strlen) {this.strlen = strlen;}@Overridepublic String get() {return r.ints(strlen, 'a', 'z' + 1).collect(StringBuilder::new,StringBuilder::appendCodePoint,StringBuilder::append).toString();}}class IntegerGenerator implements IntSupplier {@Overridepublic int getAsInt() {return r.nextInt(10_000);}}
}public class PrimitiveGenericTest {public static void main(String[] args) {String[] strings = FillArray.fill(new String[5], new Rand.StringGenerator(7));System.out.println(Arrays.toString(strings));int[] integers = FillArray.fill(new int[9], new Rand.IntegerGenerator());System.out.println(Arrays.toString(integers));}
}

        程序执行的结果是：

        由于自动装箱对数组无效，因此需要我们手动重载FillArray.fill()方法，或者通过一个生成器来包装输出结果。

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实现参数化接口

        一个类无法实现同一个泛型接口的两种变体：

因为类型擦除，这两个变体实际上都表示着原生的Payable。换言之，上述代码中Hourly将同一个接口实现了两次。

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类型转换和警告

        因为类型擦除，我们无法对类型参数使用类型转换或instanceof。因此，有时会需要在边界处进行类型转换：

【例子：在泛型边界处进行类型转换】

import java.util.Arrays;
import java.util.stream.Stream;class FixedSizeStack<T> {private final int size;private Object[] storage;private int index = 0;FixedSizeStack(int size) {this.size = size;storage = new Object[size];}public void push(T item) {if (index < size)storage[index++] = item;}@SuppressWarnings("unchecked")public T pop() {return index == 0 ?null : (T) storage[--index];}@SuppressWarnings("unchecked")Stream<T> stream() {return (Stream<T>) Arrays.stream(storage);}
}public class GenericCast {static String[] letters ="ABCDEFGHIJKLMNOPQRST".split("");public static void main(String[] args) {FixedSizeStack<String> strings =new FixedSizeStack<>(letters.length);Arrays.stream(letters).forEach(strings::push);System.out.println(strings.pop());strings.stream().map(s -> s + " ").forEach(System.out::print);}
}

        程序执行的结果是：

        pop()和stram()会产生警告，因为编译器无法知道这种类型转换是否安全。在本例中，类型参数T会被擦除成Object。

        虽然在泛型的边界处，类型转换会自动发生。但有时我们仍然需要手动进行类型转换，此时编译器会发出警告：

【例子：对泛型进行转型】

import java.io.FileInputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.util.List;public class NeedCasting {@SuppressWarnings("unchecked")public void f(String[] args) throws Exception {ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(args[0]));List<Integer> shapes = (List<Integer>) in.readObject();}
}

    实际上，readObject()不会知道它正在读取什么，因此它会返回Object。

        现在注释掉@SuppressWarnings("unchecked")，并且使用参数-Xlint:unchecked进行编译：

警告清楚地告诉了我们，readObject()会返回一个未经检查的Object。

        Java 5还引入了一个转型方法，通过Class.cast()，可以将对象强制转换成目标类型。这个方法也适用于泛型：

【例子：尝试强制转换泛型】

import java.io.FileInputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.util.List;public class ClassCasting {@SuppressWarnings("unchecked")public void f(String[] args) throws Exception {ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(args[0]));// 无法编译的代码：// List<Integer> lw1 =//         List<>.class.cast(in.readObject()); // 使用cast()进行强制类型转换// 会引发警告：List<Integer> lw2 = List.class.cast(in.readObject());// 无法编译：// List<Integer> lw3 = List<Integer>.class.cast(in.readObject());// 会引发警告List<Integer> lw4 = (List<Integer>) List.class.cast(in.readObject());}
}

        然而，如代码所示。这些做法都会存在着这样那样的限制。

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无法实现的重载

        由于类型擦除，下面的这种写法是不被允许的：

【例子：无法实现的重载】

import java.util.List;public class UseList<W, T> {void f(List<T> v) {}void f(List<W> v) {}
}

        因为被擦除的参数无法作为单独的参数列表，所以我们还需要为每一个相似的方法提高不同的方法名。

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基类会劫持接口

        假设我们想要创建一个类，这个类实现了Comparable接口，这样这个类的不同对象就能进行互相的比较：

【例子：实现了Comparable的父类】

public class ComparablePetimplements Comparable<ComparablePet> {@Overridepublic int compareTo(ComparablePet arg) {return 0;}
}

        一个好的想法是，任何继承了这个类的子类，其对象之间应该也能进行比较（在这个例子中，父类是Pet，子类就是Cat）。然而事实并不会如我们所愿：

        遗憾的是，若继承了父类的泛型接口，编译器不会再允许我们添加另一个Comparable接口。在这里，我们只能遵循父类的比较方式。

    我们还可以在子类中重写compareTo()的行为，但这种行为是面向ComparablePet的（而不是限定在这个子类中）。

自限定类型

        自限定类型来自于Java早期的泛型使用习惯：

class SelfBounded<T extends SelfBounded<T>> { // ...

在这里，类型参数的边界就是类本身：SelfBounded有一个类型参数T，而参数T的边界却又是SelfBounded。

    这种写法更加强调extends在泛型参数中使用时的含义。

奇异递归类型

        先看一个自限定类型的简化版本。尽管无法直接继承泛型参数，但我们可以继承一个使用了泛型参数的类。

【例子：继承泛型类】

class GenericType<T> {
}public class CuriouslyRecurringGenericextends GenericType<CuriouslyRecurringGeneric> {
}

        这种方式被称为奇异递归泛型。其中，“奇异递归”是指子类奇怪地出现在了其基类中的现象、

        要理解这一点，首先需要明确：Java泛型的重点在于参数和返回类型，因此可以生成将派生类型作为参数和返回值的基类。派生类型也可作为字段，不过此时它们会被擦除为Object。

【例子：用子类替换基类的参数】

        首先定义一个简单的泛型：

public class BasicHolder<T> {T element;void set(T arg) {element = arg;}T get() {return element;}void f() {System.out.println(element.getClass().getSimpleName());}
}

        在这个基类中，所有方法的接收或返回值（若有）都是T。接下来尝试使用这个类：

class Subtype extends BasicHolder<Subtype> {
}public class CRGWithBasicHolder {public static void main(String[] args) {// Subtype中的所有方法，其接收和返回的都是Subtype：Subtype st1 = new Subtype(),st2 = new Subtype();st1.set(st2);Subtype st3 = st1.get();st1.f();}
}

        程序执行的结果是：

        需要注意的是，Subtype类中，所有方法的接收和返回值都已经变成了Subtype。这就是一个奇异递归泛型：基类用子类替换了其参数。在这里，基类用于提供通用的方法模板，而子类使用的方法都会具有一个具体的类型，即子类自身。

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自限定

        上述的BasicHolder可以将任何类型作为其泛型参数：

【例子：BasicHolder的广泛应用】

class Other {
}// 将不相关的Other作为参数
class BasicOther extends BasicHolder<Other> {
}

       自限定在这种操作的基础上更进一步，它强制地把泛型作为自身的边界参数进行使用：

// 自限定类型：
class SelfBounded<T extends SelfBounded<T>> {T element;SelfBounded<T> set(T arg) {element = arg;return this;}T get() {return element;}
}class A extends SelfBounded<A> {
}// 属于SelfBounding<>的类型也可以这样使用：
class B extends SelfBounded<A> {
}class C extends SelfBounded<C> {C setAndGet(C arg) {set(arg);return get();}
}class D {
}
// 但这种做法是不被允许的：
// class E extends SelfBounding<D> {
// }// 这样的可以（自限定的语法并非强制性的）：
class F extends SelfBounded {
}public class SelfBounding {public static void main(String[] args) {A a = new A();a.set(new A());a = a.set(new A()).get();a = a.get();C c = new C();c = c.setAndGet(new C());}
}

        需要注意的是，自限定类型会要求类处于继承关系中。因此像E这种并不处于继承关系中的类无法使用自限定。

        除此之外，可以看到编译器并没有对F这种写法发出警告：

class F extends SelfBounded {}

由此可知，编译器对自限定的语法并不做强制要求，这需要程序员自己注意（或使用工具保证不会使用原生类型）。

        注意：自限定类型只服务于强制继承关系。若使用自限定，这意味着该类使用的类型参数和使用该参数的类属于同一个基类。

    对于普通的泛型类而言，像上例中的E这样的类型是可以作为泛型参数的。这种泛型类就没有对继承关系的强制性要求。

        除此之外，自限定还可用于泛型方法：

【例子：使用了自限定的泛型方法】

public class SelfBoundingMethods {static <T extends SelfBounded<T>> T f(T arg) {return arg.set(arg).get();}public static void main(String[] args) {A a = f(new A());}
}

这种做法的特点是，方法f()无法应用于自限定参数规定范围之外的对象。

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自限定提供的参数协变性

        自限定类型的价值在于它可以生成协变参数类型，即方法参数的类型会随着子类而变化。现在先来看一个协变参数类型的例子，这种写法是Java 5引入的：

【例子：Java中的协变参数类型】

class Base {
}class Derived extends Base {
}interface OrdinaryGetter {Base get();
}interface DerivedGetter extends OrdinaryGetter {@OverrideDerived get();
}public class CovariantReturnTypes {void test(DerivedGetter d) {Derived d2 = d.get();}
}

        这种做法有着自洽的逻辑：子类方法可以返回比其基类方法更加具体的类型（但这种写法在Java 5之前是行不通的）。

        而自限定方法则可以直接返回精确的派生类型：

【例子：自限定的返回值】

interface GenericGetter<T extends GenericGetter<T>> {T get();
}interface Getter extends GenericGetter<Getter> {
}public class GenericsAndReturnTypes {void test(Getter g) {Getter result = g.get();// 因为返回的类型是子类，因此可以用基类来承接：GenericGetter gg = g.get();}
}

    不过，这种做法只在引入了协变类型的Java 5之后有效。

        与上述这两种形式不同，在普通的类中，参数的类型无法随子类型而变化。

【例子：普通类的返回值】

class OrdinarySetter {void set(Base base) {System.out.println("OrdinarySetter.set(Base)");}
}class DerivedSetter extends OrdinarySetter {void set(Derived derived) {System.out.println("DerivedSetter.set(Derived)");}
}public class OrdinaryArguments {public static void main(String[] args) {Base base = new Base();Derived derived = new Derived();DerivedSetter ds = new DerivedSetter();ds.set(derived);// 编译通过，但这里发生的不是重写，是重载：ds.set(base);}
}

        程序执行的结果是：

        尽管在main()中，ds.set(derived)和ds.set(base)都是合法的，但发生的并不是重写，而是重载。从输出可以看出，在子类DerivedSetter中存在着两个set()方法，一个参数是Base，另一个的是Derived。

    若对DerivedSetter的set()方法使用@Override注释，就可以看出问题。

        当使用自限定类型时，子类中来自基类的方法的参数会发生改变，因此会出现下面这种情况：

【例子：子类方法的参数会被重写】

interface SelfBoundSetter<T extends SelfBoundSetter<T>> {void set(T arg);
}interface Setter extends SelfBoundSetter<Setter> {// 未进行任何改动，但实际上set()已经被重写
}public class SelfBoundingAndCovariantArguments {void testA(Setter s1, Setter s2, SelfBoundSetter sbs) {s1.set(s2);// 不允许这么做：// s1.set(sbs);}
}

        s1.set(sbs)存在问题：

编译器认为基类无法匹配当前set()的类型，尽管上述代码中并没有在Setter中显式地重写set()方法，但set()的参数确实已经被重写了。

        若不使用自限定，那么普通的继承机制就会启动：

【例子：普通的继承机制】

// 非自限定的类型：
class OtherGenericSetter<T> {void set(T arg) {System.out.println("GenericSetter.set(Base)");}
}class DerivedGS extends OtherGenericSetter<Base> {void set(Derived derived) {System.out.println("DerivedGS.set(Derived)");}
}public class PlainGenericInheritance {public static void main(String[] args) {Base base = new Base();Derived derived = new Derived();DerivedGS dgs = new DerivedGS();dgs.set(derived);// 发生了重载：dgs.set(base);}
}

        程序执行的结果是：

        显然，这里发生的还是重载。若使用的是自限定，最后只会有一个接收确切类型参数的方法版本。