JavaSE 详细了解泛型中的边界问题

< ? extends T>和< ? super T>

< ? extends T>和< ? super T>是Java泛型中的“通配符(Wildcards)”和“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)”

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。

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( )和get( )方法。

class Plate{
    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。

Plate p=new Plate(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”。

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

为了让泛型用起来更舒服,Sun的大脑袋们就想出了< ? extends T>和< ? 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)”:

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>和Plate最大的区别就是:Plate< ? extends Fruit>是Plate以及Plate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。

Plate extends Fruit> p=new Plate(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。

//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,上界通配符 “Plate<? extends Fruit>” 覆盖下图中蓝色的区域。
JavaSE 详细了解泛型中的边界问题_第1张图片
所有以Fruit为基类的类都能转化。

3. 什么是下界?

相对应的,“下界通配符(Lower Bounds Wildcards)”:

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父类的盘子。Plate< ? super Fruit>是Plate的基类,但不是Plate的基类。对应刚才那个例子,Plate<? super Fruit>覆盖下图中红色的区域。
JavaSE 详细了解泛型中的边界问题_第2张图片

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。

class Plate{
    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。Plate< ? extends Fruit> p=new Plate(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。

public  List 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。

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。Plate< ? super Fruit> p=new Plate(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。

5.PECS原则
PECS(Producer Extends Consumer Super)
1.频繁往外读取内容的,适合用上界Extens
2.经常往里插入的,适合用下界Super


类型参数“< T>”和无界通配符“< ?>”

讨论“< T>”和”< ?>”,首先要区分开两种不同的场景:

第一,声明一个泛型类或泛型方法。
第二,使用泛型类或泛型方法

类型参数“< T>”主要用于第一种,声明泛型类或泛型方法。 无界通配符“< ?>”主要用于第二种,使用泛型类或泛型方法。

1. 声明泛型类的类型参数
List< T>最应该出现的地方,应该是定义一个泛型List容器。但List是库里自带的容器。

举一个简单的例子,我们自己定义一个新泛型容器叫Box< T>。

class Box{
    private T item1;
    private T item2;
}

为什么这里要用类型参数?因为这是一种”约束“,为了保证Box里的item1, item2都是同一个类型T。Box,代表两个item都是String。Box里两个item都是Integer。

2.声明泛型类不能用无界通配符< ?>
反观List< ?>,首先要明确通配符不能拿来声明泛型。像下面这样用通配符”?”来表示类型参数的约束是肯定不行的。

//error example
class Box{
    private ? item1;
    private ? item2;
}

通配符是拿来使用定义好的泛型的。比如用

List> list = new ArrayList();

4.< ?>的各种坑
但是这个List< ?>的写法很坑。因为,这时候通配符会捕获具体的String类型,但是编译器不叫它String,而是起一个临时代号比如“CAP#1”.所以以后不能往list中存任何元素,包括String。 唯一能存的只有Null

List> list = new ArrayList();
list.add("hello");    //ERROR
list.add(111);    //ERROR
//argument mismatch; String cannot be converted to CAP#1
//argument mismatch; int cannot be converted to CAP#1

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