Java 之泛型通配符 ? extends T 与 ? super T 解惑

简述

大家在平时的工作学习中, 肯定会见过不少如下的语句:

List<? super T>
List<? extends T>

我们都知道, 上面的代码时关于 Java 泛型的, 那么这两个不同的写法都有什么区别呢?

首先, 说到 Java 的泛型, 我们必须要提到的是Java 泛型的类型擦除机制: Java中的泛型基本上都是在编译器这个层次来实现的. 在生成的 Java 字节代码中是不包含泛型中的类型信息的. 使用泛型的时候加上的类型参数, 会被编译器在编译的时候去掉. 这个过程就称为类型擦除. 如在代码中定义的List<Object>和List<String>等类型, 在编译之后都会变成List, JVM看到的只是List, 而由泛型附加的类型信息对JVM来说是不可见的.

在使用泛型类时, 我们可以使用一个具体的类型, 例如可以定义一个 List<Integer> 的对象, 我们的泛型参数就是 Integer; 我们也可以使用通配符 ? 来表示一个未知类型, 例如 List<?> 就表示了泛型参数是某个类型, 只不过我们并不知道它的具体类型时什么.
List<?>所声明的就是所有类型都是可以的, 但需要注意的是, List<?>并不等同于List<Object>. 对于 List<Object> 来说, 它实际上确定了 List 中包含的是 Object 及其子类, 我们可以使用 Object 类型来接收它的元素. 相对地, List<?> 则表示其中所包含的元素类型是不确定, 其中可能包含的是 String, 也可能是 Integer. 如果它包含了 String 的话, 往里面添加 Integer 类型的元素就是错误的. 作为对比, 我们可以给一个 List<Object> 添加 String 元素, 也可以添加 Integer 类型的元素, 因为它们都是 Object 的子类.
正因为类型未知, 我们就不能通过 new ArrayList<?>() 的方法来创建一个新的ArrayList 对象, 因为编译器无法知道具体的类型是什么. 但是对于 List<?> 中的元素, 我们却都可以使用 Object 来接收, 因为虽然类型未知, 但肯定是Object及其子类.

我们在上面提到了, List<?> 中的元素只能使用 Object 来引用, 这样作肯定时不太方便的, 不过幸运的是, Java 的泛型机制允许我们对泛型参数的类型的上界和下界做一些限制, 例如 List<? extends Number> 定义了泛型的上界是 Number, 即 List 中包含的元素类型是 Number 及其子类. 而 List<? super Number> 定义了泛型的下界, 即 List 中包含的是 Number 及其父类.
当引入了泛型参数的上界和下界后, 我们编写代码相对来说就方便了许多, 不过也引入了新的问题, 即我们在什么时候使用上界, 什么时候使用下界, 以及它们的区别和限制到底时什么? 下面我来说说我的理解.

? extends T

? extends T 描述了通配符上界, 即具体的泛型参数需要满足条件: 泛型参数必须是 T 类型或它的子类, 例如:

List<? extends Number> numberArray = new ArrayList<Number>();  // Number 是 Number 类型的
List<? extends Number> numberArray = new ArrayList<Integer>(); // Integer 是 Number 的子类
List<? extends Number> numberArray = new ArrayList<Double>();  // Double 是 Number 的子类

上面三个操作都是合法的, 因为 ? extends Number 规定了泛型通配符的上界, 即我们实际上的泛型必须要是 Number 类型或者是它的子类, 而 Number, Integer, Double 显然都是 Number 的子类(类型相同的也可以, 即这里我们可以认为 Number 是 Number 的子类).

子类型判断

假设有类型 G, 以及 SuperClass 和 SubClass 两个类, 并且 SuperClass 是 SubClass 的父类, 那么:

• G<? extends SubClass> 是 G<? extends SuperClass> 的子类型. 如 List<? extends Integer> 是 List<? extends Number> 的子类型

• G<SuperClass> 是 G<? extends SuperClass> 的子类型, 例如 List<Integer> 是 List<? extends Integer> 的子类型.

• G<?> 和 G<? extends Object> 等同.

可以想象 G<? extends T> 为一个左闭右开的区间(T 在最左边), G<? extends Object> 是最大的区间, 当区间 G<? extends SuperClass> 包含 区间 G<? extends SubClass>时, 那么较大的区间就是父类.

关于读取

根据上面的例子, 对于 List<? extends Number> numberArray 对象:

• 我们能够从 numberArray 中读取到 Number 对象, 因为 numberArray 中包含的元素是 Number 类型或 Number 的子类型.

• 我们不能从 numberArray 中读取到 Integer 类型, 因为 numberArray 中可能保存的是 Double 类型.

• 同理, 我们也不能从 numberArray 中读取到 Double 类型.

关于写入

根据上面的例子, 对于 List<? extends Number> numberArray 对象:

• 我们不能添加 Number 到 numberArray 中, 因为 numberArray 有可能是List<Double> 类型

• 我们不能添加 Integer 到 numberArray 中, 因为 numberArray 有可能是 List<Double> 类型

• 我们不能添加 Double 到 numberArray 中, 因为 numberArray 有可能是 List<Integer> 类型

即, 我们不能添加任何对象到 List<? extends T> 中, 因为我们不能确定一个 List<? extends T> 对象实际的类型是什么, 因此就不能确定插入的元素的类型是否和这个 List 匹配. List<? extends T> 唯一能保证的是我们从这个 list 中读取的元素一定是一个 T 类型的.

? super T

? super T 描述了通配符下界, 即具体的泛型参数需要满足条件: 泛型参数必须是 T 类型或它的父类, 例如:

// 在这里, Integer 可以认为是 Integer 的 "父类"
List<? super Integer> array = new ArrayList<Integer>();
// Number 是 Integer 的 父类
List<? super Integer> array = new ArrayList<Number>();
// Object 是 Integer 的 父类
List<? super Integer> array = new ArrayList<Object>();

关于读取

对于上面的例子中的 List<? super Integer> array 对象:

• 我们不能保证可以从 array 对象中读取到 Integer 类型的数据, 因为 array 可能是 List<Number> 类型的.

• 我们不能保证可以从 array 对象中读取到 Number 类型的数据, 因为 array 可能是 List<Object> 类型的.

• 唯一能够保证的是, 我们可以从 array 中获取到一个 Object 对象的实例.

关于写

对于上面的例子中的 List<? super Integer> array 对象:

• 我们可以添加 Integer 对象到 array 中, 也可以添加 Integer 的子类对象到 array 中.

• 我们不能添加 Double/Number/Object 等不是 Integer 的子类的对象到 array 中.

易混淆点

有一点需要注意的是, List<? super T> 和 List<? extends T> 中, 我们所说的 XX 是 T 的父类(a superclass of T) 或 XX 是 T 的子类(a subclass of T) 其实是针对于泛型参数而言的. 例如考虑如下例子:

List<? super Integer> l1 = ...
List<? extends Integer> l2 = ...

那么这里 ? super Integer 和 ? extends Integer 的限制是对谁的呢? 是表示我们可以插入任意的对象 X 到 l1 中, 只要 X 是 Integer 的父类? 是表示我们可以插入任意的对象 Y 到 l2 中, 只要 Y 是 Integer 的子类?
其实不是的, 我们必须要抛弃上面的概念, ? super Integer 和 ? extends Integer 限制的其实是 泛型参数, 即 List<? super Integer> l1 表示 l1 的泛型参数 T 必须要满足 T 是 Integer 的父类, 因此诸如 List<Object>, List<Number 的对象就可以赋值到 l1 中. 正因为我们知道了 l1 中的泛型参数的边界信息, 因此我们就可以向 l1 中添加 Integer 对象了, 推理过程如下:

令 T 是 l1 的泛型参数, 即:
    l1 = List<T> = List<? super Integer>
因此有 T 是 Integer 或 Integer 的父类.
如果 T 是 Integer, 则 l1 = List<Integer>, 显然我们可以添加任意的 Integer 对象或 Integer 的子类对象到 l1 中.
如果 T 是 Integer 的父类, 那么同理, 对于 Integer 或 Integer 的子类的对象, 我们也可以添加到 l1 中.

按同样的分析方式, List<? extends Integer> l2 表示的是 l2 的泛型参数是 Integer 的子类型. 而如果我们要给一个 List<T> 插入一个元素的话, 我们需要保证此元素是 T 或是 T 的子类, 而这里 List<? extends Integer> l2, l2 的泛型参数是什么类型我们都不知道, 进而就不能确定 l2 的泛型参数的子类是哪些, 因此我们就不能向 l2 中添加任何的元素了.

来一个对比:

• 对于 List<? super Integer> l1:

  • 正确的理解: ? super Integer 限定的是泛型参数. 令 l1 的泛型参数是 T, 则 T 是 Integer 或 Integer 的父类, 因此 Integer 或 Integer 的子类的对象就可以添加到 l1 中.

  • 错误的理解: ? super Integer限定的是插入的元素的类型, 因此只要是 Integer 或 Integer 的父类的对象都可以插入 l1 中

• 对于 List<? extends Integer> l2:

  • 正确的理解: ? extends Integer 限定的是泛型参数. 令 l2 的泛型参数是 T, 则 T 是 Integer 或 Integer 的子类, 进而我们就不能找到一个类 X, 使得 X 是泛型参数 T 的子类, 因此我们就不可以向 l2 中添加元素. 不过由于我们知道了泛型参数 T 是 Integer 或 Integer 的子类这一点, 因此我们就可以从 l2 中读取到元素(取到的元素类型是 Integer 或 Integer 的子类), 并可以存放到 Integer 中.

  • 错误的理解: ? extends Integer 限定的是插入元素的类型, 因此只要是 Integer 或 Integer 的子类的对象都可以插入 l2 中

使用场景

PECE 原则: Producer Extends, Consumer Super

• Producer extends: 如果我们需要一个 List 提供类型为 T 的数据(即希望从 List 中读取 T 类型的数据), 那么我们需要使用 ? extends T, 例如 List<? extends Integer>. 但是我们不能向这个 List 添加数据.

• Consumer Super: 如果我们需要一个 List 来消费 T 类型的数据(即希望将 T 类型的数据写入 List 中), 那么我们需要使用 ? super T, 例如 List<? super Integer>. 但是这个 List 不能保证从它读取的数据的类型.

• 如果我们既希望读取, 也希望写入, 那么我们就必须明确地声明泛型参数的类型, 例如 List<Integer>.

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)); 
  } 
}

上面的例子是一个拷贝数据的代码, src 是 List<? extends T> 类型的, 因此它可以读取出 T 类型的数据(读取的数据类型是 T 或是 T 的子类, 但是我们不能确切的知道它是什么类型, 唯一能确定的是读取的类型 is instance of T), , dest 是 List<? super T> 类型的, 因此它可以写入 T 类型或其子类的数据.

参考

Java深度历险（五）——Java泛型
difference-between-super-t-and-extends-t-in-java