Java 泛型总结（三）：通配符的使用

简介

前两篇文章介绍了泛型的基本用法、类型擦除以及泛型数组。在泛型的使用中，还有个重要的东西叫通配符，本文介绍通配符的使用。

这个系列的另外两篇文章：

• Java 泛型总结（一）：基本用法与类型擦除
• Java 泛型总结（二）：泛型与数组

数组的协变

在了解通配符之前，先来了解一下数组。Java 中的数组是协变的，什么意思？看下面的例子：

class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Jonathan extends Apple {}
class Orange extends Fruit {}

public class CovariantArrays {
    public static void main(String[] args) {       
        Fruit[] fruit = new Apple[10];
        fruit[0] = new Apple(); // OK
        fruit[1] = new Jonathan(); // OK
        // Runtime type is Apple[], not Fruit[] or Orange[]:
        try {
            // Compiler allows you to add Fruit:
            fruit[0] = new Fruit(); // ArrayStoreException
        } catch(Exception e) { System.out.println(e); }
        try {
            // Compiler allows you to add Oranges:
            fruit[0] = new Orange(); // ArrayStoreException
        } catch(Exception e) { System.out.println(e); }
        }
} /* Output:
java.lang.ArrayStoreException: Fruit
java.lang.ArrayStoreException: Orange
*///:~

main 方法中的第一行，创建了一个 Apple 数组并把它赋给 Fruit 数组的引用。这是有意义的，Apple 是 Fruit 的子类，一个 Apple 对象也是一种 Fruit 对象，所以一个 Apple 数组也是一种 Fruit 的数组。这称作数组的协变，Java 把数组设计为协变的，对此是有争议的，有人认为这是一种缺陷。

尽管 Apple[] 可以 “向上转型” 为 Fruit[]，但数组元素的实际类型还是 Apple，我们只能向数组中放入 Apple或者 Apple 的子类。在上面的代码中，向数组中放入了 Fruit 对象和 Orange 对象。对于编译器来说，这是可以通过编译的，但是在运行时期，JVM 能够知道数组的实际类型是 Apple[]，所以当其它对象加入数组的时候就会抛出异常。

泛型设计的目的之一是要使这种运行时期的错误在编译期就能发现，看看用泛型容器类来代替数组会发生什么：

// Compile Error: incompatible types:
ArrayList<Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();

上面的代码根本就无法编译。当涉及到泛型时， 尽管 Apple 是 Fruit 的子类型，但是 ArrayList<Apple> 不是 ArrayList<Fruit> 的子类型，泛型不支持协变。

使用通配符

从上面我们知道，List<Number> list = ArrayList<Integer> 这样的语句是无法通过编译的，尽管 Integer 是 Number 的子类型。那么如果我们确实需要建立这种 “向上转型” 的关系怎么办呢？这就需要通配符来发挥作用了。

上边界限定通配符

利用 <? extends Fruit> 形式的通配符，可以实现泛型的向上转型：

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 Fruit());
        // flist.add(new Object());
        flist.add(null); // Legal but uninteresting
        // We know that it returns at least Fruit:
        Fruit f = flist.get(0);
    }
}

上面的例子中， flist 的类型是 List<? extends Fruit>，我们可以把它读作：一个类型的 List， 这个类型可以是继承了 Fruit 的某种类型。注意，这并不是说这个 List 可以持有 Fruit 的任意类型。通配符代表了一种特定的类型，它表示 “某种特定的类型，但是 flist 没有指定”。这样不太好理解，具体针对这个例子解释就是，flist 引用可以指向某个类型的 List，只要这个类型继承自 Fruit，可以是 Fruit 或者 Apple，比如例子中的 new ArrayList<Apple>，但是为了向上转型给 flist，flist 并不关心这个具体类型是什么。

如上所述，通配符 List<? extends Fruit> 表示某种特定类型 ( Fruit 或者其子类 ) 的 List，但是并不关心这个实际的类型到底是什么，反正是 Fruit 的子类型，Fruit 是它的上边界。那么对这样的一个 List 我们能做什么呢？其实如果我们不知道这个 List 到底持有什么类型，怎么可能安全的添加一个对象呢？在上面的代码中，向 flist 中添加任何对象，无论是 Apple 还是 Orange 甚至是 Fruit 对象，编译器都不允许，唯一可以添加的是 null。所以如果做了泛型的向上转型 (List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>())，那么我们也就失去了向这个 List 添加任何对象的能力，即使是 Object 也不行。

另一方面，如果调用某个返回 Fruit 的方法，这是安全的。因为我们知道，在这个 List 中，不管它实际的类型到底是什么，但肯定能转型为 Fruit，所以编译器允许返回 Fruit。

了解了通配符的作用和限制后，好像任何接受参数的方法我们都不能调用了。其实倒也不是，看下面的例子：

public class CompilerIntelligence {
    public static void main(String[] args) {
        List<? extends Fruit> flist =
        Arrays.asList(new Apple());
        Apple a = (Apple)flist.get(0); // No warning
        flist.contains(new Apple()); // Argument is ‘Object’
        flist.indexOf(new Apple()); // Argument is ‘Object’
        
        //flist.add(new Apple());   无法编译

    }
}

在上面的例子中，flist 的类型是 List<? extends Fruit>，泛型参数使用了受限制的通配符，所以我们失去了向其中加入任何类型对象的例子，最后一行代码无法编译。

但是 flist 却可以调用 contains 和 indexOf 方法，它们都接受了一个 Apple 对象做参数。如果查看 ArrayList 的源代码，可以发现 add() 接受一个泛型类型作为参数，但是 contains 和 indexOf 接受一个 Object 类型的参数，下面是它们的方法签名：

public boolean add(E e)
public boolean contains(Object o)
public int indexOf(Object o)

所以如果我们指定泛型参数为 <? extends Fruit> 时，add() 方法的参数变为 ? extends Fruit，编译器无法判断这个参数接受的到底是 Fruit 的哪种类型，所以它不会接受任何类型。

然而，contains 和 indexOf 的类型是 Object，并没有涉及到通配符，所以编译器允许调用这两个方法。这意味着一切取决于泛型类的编写者来决定那些调用是 “安全” 的，并且用 Object 作为这些安全方法的参数。如果某些方法不允许类型参数是通配符时的调用，这些方法的参数应该用类型参数，比如 add(E e)。

当我们自己编写泛型类时，上面介绍的就有用了。下面编写一个 Holder 类：

public class Holder<T> {
    private T value;
    public Holder() {}
    public Holder(T val) { value = val; }
    public void set(T val) { value = val; }
    public T get() { return value; }
    public boolean equals(Object obj) {
    return value.equals(obj);
    }
    public static void main(String[] args) {
        Holder<Apple> Apple = new Holder<Apple>(new Apple());
        Apple d = Apple.get();
        Apple.set(d);
        // Holder<Fruit> Fruit = Apple; // Cannot upcast
        Holder<? extends Fruit> fruit = Apple; // OK
        Fruit p = fruit.get();
        d = (Apple)fruit.get(); // Returns ‘Object’
        try {
            Orange c = (Orange)fruit.get(); // No warning
        } catch(Exception e) { System.out.println(e); }
        // fruit.set(new Apple()); // Cannot call set()
        // fruit.set(new Fruit()); // Cannot call set()
        System.out.println(fruit.equals(d)); // OK
    }
} /* Output: (Sample)
java.lang.ClassCastException: Apple cannot be cast to Orange
true
*///:~

在 Holer 类中，set() 方法接受类型参数 T 的对象作为参数，get() 返回一个 T 类型，而 equals() 接受一个 Object 作为参数。fruit 的类型是 Holder<? extends Fruit>，所以set()方法不会接受任何对象的添加，但是 equals() 可以正常工作。

下边界限定通配符

通配符的另一个方向是　“超类型的通配符“: ? super T，T 是类型参数的下界。使用这种形式的通配符，我们就可以 ”传递对象” 了。还是用例子解释：

public class SuperTypeWildcards {
    static void writeTo(List<? super Apple> apples) {
        apples.add(new Apple());
        apples.add(new Jonathan());
        // apples.add(new Fruit()); // Error
    }
}

writeTo 方法的参数 apples 的类型是 List<? super Apple>，它表示某种类型的 List，这个类型是 Apple 的基类型。也就是说，我们不知道实际类型是什么，但是这个类型肯定是 Apple 的父类型。因此，我们可以知道向这个 List 添加一个 Apple 或者其子类型的对象是安全的，这些对象都可以向上转型为 Apple。但是我们不知道加入 Fruit 对象是否安全，因为那样会使得这个 List 添加跟 Apple 无关的类型。

在了解了子类型边界和超类型边界之后，我们就可以知道如何向泛型类型中 “写入” ( 传递对象给方法参数) 以及如何从泛型类型中 “读取” ( 从方法中返回对象 )。下面是一个例子：

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)); 
  } 
}

src 是原始数据的 List，因为要从这里面读取数据，所以用了上边界限定通配符：<? extends T>，取出的元素转型为 T。dest 是要写入的目标 List，所以用了下边界限定通配符：<? super T>，可以写入的元素类型是 T 及其子类型。

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。

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。

大多数情况下泛型的使用比较简单，但是如果自己编写支持泛型的代码需要对泛型有深入的了解。这几篇文章介绍了泛型的基本用法、类型擦除、泛型数组以及通配符的使用，涵盖了最常用的要点，泛型的总结就写到这里。

参考

• Java 编程思想

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