二十、泛型（9）
本章概要
- 对缺乏潜在类型机制的补偿
- 反射
- 将一个方法应用于序列
- Java 8 中的辅助潜在类型
- 使用 Suppliers 类的通用方法
- 总结：类型转换真的如此之糟吗？
对缺乏潜在类型机制的补偿
尽管 Java 不直接支持潜在类型机制，但是这并不意味着泛型代码不能在不同的类型层次结构之间应用。也就是说，我们仍旧可以创建真正的泛型代码，但是这需要付出一些额外的努力。
反射
可以使用的一种方式是反射，下面的 perform() 方法就是用了潜在类型机制：
import java.awt.*;
import java.lang.reflect.*;
// Does not implement Performs:
class Mime {
public void walkAgainstTheWind() {
}
public void sit() {
System.out.println("Pretending to sit");
}
public void pushInvisibleWalls() {
}
@Override
public String toString() {
return "Mime";
}
}
// Does not implement Performs:
class SmartDog {
public void speak() {
System.out.println("Woof!");
}
public void sit() {
System.out.println("Sitting");
}
public void reproduce() {
}
}
class CommunicateReflectively {
public static void perform(Object speaker) {
Class<?> spkr = speaker.getClass();
try {
try {
Method speak = spkr.getMethod("speak");
speak.invoke(speaker);
} catch (NoSuchMethodException e) {
System.out.println(speaker + " cannot speak");
}
try {
Method sit = spkr.getMethod("sit");
sit.invoke(speaker);
} catch (NoSuchMethodException e) {
System.out.println(speaker + " cannot sit");
}
} catch (SecurityException |
IllegalAccessException |
IllegalArgumentException |
InvocationTargetException e) {
throw new RuntimeException(speaker.toString(), e);
}
}
}
public class LatentReflection {
public static void main(String[] args) throws AWTException {
CommunicateReflectively.perform(new SmartDog());
CommunicateReflectively.perform(new Robot());
CommunicateReflectively.perform(new Mime());
}
}
上例中，这些类完全是彼此分离的，没有任何公共基类（除了 Object ）或接口。通过反射, CommunicateReflectively.perform() 能够动态地确定所需要的方法是否可用并调用它们。它甚至能够处理 Mime 只具有一个必需的方法这一事实，并能够部分实现其目标。
将一个方法应用于序列
反射提供了一些有用的可能性，但是它将所有的类型检查都转移到了运行时，因此在许多情况下并不是我们所希望的。如果能够实现编译期类型检查，这通常会更符合要求。但是有可能实现编译期类型检查和潜在类型机制吗？
让我们看一个说明这个问题的示例。假设想要创建一个 apply() 方法，它能够将任何方法应用于某个序列中的所有对象。这种情况下使用接口不适合，因为你想要将任何方法应用于一个对象集合，而接口不可能描述任何方法。如何用 Java 来实现这个需求呢？
最初，我们可以用反射来解决这个问题，由于有了 Java 的可变参数，这种方式被证明是相当优雅的：
import java.lang.reflect.*;
public class Apply {
public static <T, S extends Iterable<T>>
void apply(S seq, Method f, Object... args) {
try {
for (T t : seq) {
f.invoke(t, args);
}
} catch (IllegalAccessException |
IllegalArgumentException |
InvocationTargetException e) {
// Failures are programmer errors
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
在 Apply.java 中，异常被转换为 RuntimeException ，因为没有多少办法可以从这种异常中恢复——在这种情况下，它们实际上代表着程序员的错误。
为什么我们不只使用 Java 8 方法参考（稍后显示）而不是反射方法 f ？ 注意，invoke() 和 apply() 的优点是它们可以接受任意数量的参数。 在某些情况下，灵活性可能至关重要。
为了测试 Apply ，我们首先创建一个 Shape 类：
public class Shape {
private static long counter = 0;
private final long id = counter++;
@Override
public String toString() {
return getClass().getSimpleName() + " " + id;
}
public void rotate() {
System.out.println(this + " rotate");
}
public void resize(int newSize) {
System.out.println(this + " resize " + newSize);
}
}
被一个子类 Square 继承：
// generics/Square.java
public class Square extends Shape {}
通过这些，我们可以测试 Apply：
ApplyTest.java
import java.util.*;
public class ApplyTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
List<Shape> shapes =
Suppliers.create(ArrayList::new, Shape::new, 3);
Apply.apply(shapes, Shape.class.getMethod("rotate"));
Apply.apply(shapes, Shape.class.getMethod("resize", int.class), 7);
List<Square> squares =
Suppliers.create(ArrayList::new, Square::new, 3);
Apply.apply(squares, Shape.class.getMethod("rotate"));
Apply.apply(squares, Shape.class.getMethod("resize", int.class), 7);
Apply.apply(new FilledList<>(Shape::new, 3),
Shape.class.getMethod("rotate"));
Apply.apply(new FilledList<>(Square::new, 3),
Shape.class.getMethod("rotate"));
SimpleQueue<Shape> shapeQ = Suppliers.fill(
new SimpleQueue<>(), SimpleQueue::add,
Shape::new, 3);
Suppliers.fill(shapeQ, SimpleQueue::add,
Square::new, 3);
Apply.apply(shapeQ, Shape.class.getMethod("rotate"));
}
}
Suppliers.java
import java.util.*;
import java.util.function.*;
import java.util.stream.*;
public class Suppliers {
// Create a collection and fill it:
public static <T, C extends Collection<T>> C
create(Supplier<C> factory, Supplier<T> gen, int n) {
return Stream.generate(gen)
.limit(n)
.collect(factory, C::add, C::addAll);
}
// Fill an existing collection:
public static <T, C extends Collection<T>>
C fill(C coll, Supplier<T> gen, int n) {
Stream.generate(gen)
.limit(n)
.forEach(coll::add);
return coll;
}
// Use an unbound method reference to
// produce a more general method:
public static <H, A> H fill(H holder,
BiConsumer<H, A> adder, Supplier<A> gen, int n) {
Stream.generate(gen)
.limit(n)
.forEach(a -> adder.accept(holder, a));
return holder;
}
}
FilledList.java
import java.util.*;
import java.util.function.*;
public class FilledList<T> extends ArrayList<T> {
FilledList(Supplier<T> gen, int size) {
Suppliers.fill(this, gen, size);
}
public FilledList(T t, int size) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
this.add(t);
}
}
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new FilledList<>("Hello", 4);
System.out.println(list);
// Supplier version:
List<Integer> ilist = new FilledList<>(() -> 47, 4);
System.out.println(ilist);
}
}
在 Apply 中，我们运气很好，因为碰巧在 Java 中内建了一个由 Java 集合类库使用的 Iterable 接口。正由于此， apply() 方法可以接受任何实现了 Iterable 接口的事物，包括诸如 List 这样的所有 Collection 类。但是它还可以接受其他任何事物，只要能够使这些事物是 Iterable 的——例如，在 main() 中使用下面定义的 SimpleQueue 类：
import java.util.*;
public class SimpleQueue<T> implements Iterable<T> {
private LinkedList<T> storage = new LinkedList<>();
public void add(T t) {
storage.offer(t);
}
public T get() {
return storage.poll();
}
@Override
public Iterator<T> iterator() {
return storage.iterator();
}
}
正如反射解决方案看起来那样优雅，我们必须观察到反射（尽管在 Java 的最新版本中得到了显着改进）通常比非反射实现要慢，因为在运行时发生了很多事情。 但它不应阻止您尝试这种解决方案，这依然是值得考虑的一点。
几乎可以肯定，你会首先使用 Java 8 的函数式方法，并且只有在解决了特殊需求时才诉诸反射。 这里对 ApplyTest.java 进行了重写，以利用 Java 8 的流和函数工具：
import java.util.stream.*;
public class ApplyFunctional {
public static void main(String[] args) {
Stream.of(
Stream.generate(Shape::new).limit(2),
Stream.generate(Square::new).limit(2))
.flatMap(c -> c) // flatten into one stream
.peek(Shape::rotate)
.forEach(s -> s.resize(7));
new FilledList<>(Shape::new, 2)
.forEach(Shape::rotate);
new FilledList<>(Square::new, 2)
.forEach(Shape::rotate);
SimpleQueue<Shape> shapeQ = Suppliers.fill(
new SimpleQueue<>(), SimpleQueue::add,
Shape::new, 2);
Suppliers.fill(shapeQ, SimpleQueue::add,
Square::new, 2);
shapeQ.forEach(Shape::rotate);
}
}
由于使用 Java 8，因此不需要 Apply.apply() 。
我们首先生成两个 Stream ： 一个是 Shape ，一个是 Square ，并将它们展平为单个流。 尽管 Java 缺少功能语言中经常出现的 flatten() ，但是我们可以使用 flatMap(c-> c) 产生相同的结果，后者使用身份映射将操作简化为“ flatten ”。
我们使用 peek() 当做对 rotate() 的调用，因为 peek() 执行一个操作（此处是出于副作用），并在未更改的情况下传递对象。
注意，使用 FilledList 和 shapeQ 调用 forEach() 比 Apply.apply() 代码整洁得多。 在代码简单性和可读性方面，结果比以前的方法好得多。 并且，现在也不可能从 main() 引发异常。
Java8 中的辅助潜在类型
先前声明关于 Java 缺乏对潜在类型的支持在 Java 8 之前是完全正确的。但是，Java 8 中的非绑定方法引用使我们能够产生一种潜在类型的形式，以满足创建一段可工作在不相干类型上的代码。因为 Java 最初并不是如此设计，所以结果可想而知，比其他语言中要尴尬一些。但是，至少现在成为了可能，只是缺乏令人惊艳之处。
我在其他地方从没遇过这种技术，因此我将其称为辅助潜在类型。
我们将重写 DogsAndRobots.java 来演示该技术。 为使外观看起来与原始示例尽可能相似，我仅向每个原始类名添加了 A：
DogsAndRobotMethodReferences.java
import java.util.function.*;
class PerformingDogA extends Dog {
public void speak() {
System.out.println("Woof!");
}
public void sit() {
System.out.println("Sitting");
}
public void reproduce() {
}
}
class RobotA {
public void speak() {
System.out.println("Click!");
}
public void sit() {
System.out.println("Clank!");
}
public void oilChange() {
}
}
class CommunicateA {
public static <P> void perform(P performer,
Consumer<P> action1, Consumer<P> action2) {
action1.accept(performer);
action2.accept(performer);
}
}
public class DogsAndRobotMethodReferences {
public static void main(String[] args) {
CommunicateA.perform(new PerformingDogA(),
PerformingDogA::speak, PerformingDogA::sit);
CommunicateA.perform(new RobotA(),
RobotA::speak, RobotA::sit);
CommunicateA.perform(new Mime(),
Mime::walkAgainstTheWind,
Mime::pushInvisibleWalls);
}
}
Dog.java
public class Dog extends Pet {
public Dog(String name) {
super(name);
}
public Dog() {
super();
}
}
Pet.java
public class Pet extends Individual {
public Pet(String name) {
super(name);
}
public Pet() {
super();
}
}
Individual.java
import java.util.*;
public class Individual implements Comparable<Individual> {
private static long counter = 0;
private final long id = counter++;
private String name;
public Individual(String name) {
this.name = name;
}
// 'name' is optional:
public Individual() {
}
@Override
public String toString() {
return getClass().getSimpleName() +
(name == null ? "" : " " + name);
}
public long id() {
return id;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
return o instanceof Individual &&
Objects.equals(id, ((Individual) o).id);
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(name, id);
}
@Override
public int compareTo(Individual arg) {
// Compare by class name first:
String first = getClass().getSimpleName();
String argFirst = arg.getClass().getSimpleName();
int firstCompare = first.compareTo(argFirst);
if (firstCompare != 0) {
return firstCompare;
}
if (name != null && arg.name != null) {
int secondCompare = name.compareTo(arg.name);
if (secondCompare != 0) {
return secondCompare;
}
}
return (arg.id < id ? -1 : (arg.id == id ? 0 : 1));
}
}
PerformingDogA 和 RobotA 与 DogsAndRobots.java 中的相同，不同之处在于它们不继承通用接口 Performs ，因此它们没有通用性。
CommunicateA.perform() 在没有约束的 P 上生成。 只要可以使用 Consumer ，它在这里就可以是任何东西，这些 Consumer 代表不带参数的 P 方法的未绑定方法引用。当您调用 Consumer 的 accept() 方法时，它将方法引用绑定到执行者对象并调用该方法。 由于 函数式编程 一章中描述的“魔术”，我们可以将任何符合签名的未绑定方法引用传递给 CommunicateA.perform() 。
之所以称其为“辅助”，是因为您必须显式地为 perform() 提供要使用的方法引用。 它不能只按名称调用方法。
尽管传递未绑定的方法引用似乎要花很多力气，但潜在类型的最终目标还是可以实现的。 我们创建了一个代码片段 CommunicateA.perform() ，该代码可用于任何具有符合签名的方法引用的类型。 请注意，这与我们看到的其他语言中的潜在类型有所不同，因为这些语言不仅需要签名以符合规范，还需要方法名称。 因此，该技术可以说产生了更多的通用代码。
为了证明这一点，我还从 LatentReflection.java 中引入了 Mime。
使用Suppliers类的通用方法
通过辅助潜在类型，我们可以定义本章其他部分中使用的 Suppliers 类。 此类包含使用生成器填充 Collection 的工具方法。 泛化这些操作很有意义：
import java.util.*;
import java.util.function.*;
import java.util.stream.*;
public class Suppliers {
// Create a collection and fill it:
public static <T, C extends Collection<T>> C
create(Supplier<C> factory, Supplier<T> gen, int n) {
return Stream.generate(gen)
.limit(n)
.collect(factory, C::add, C::addAll);
}
// Fill an existing collection:
public static <T, C extends Collection<T>>
C fill(C coll, Supplier<T> gen, int n) {
Stream.generate(gen)
.limit(n)
.forEach(coll::add);
return coll;
}
// Use an unbound method reference to
// produce a more general method:
public static <H, A> H fill(H holder,
BiConsumer<H, A> adder, Supplier<A> gen, int n) {
Stream.generate(gen)
.limit(n)
.forEach(a -> adder.accept(holder, a));
return holder;
}
}
create() 为你创建一个新的 Collection 子类型，而 fill() 的第一个版本将元素放入 Collection 的现有子类型中。 请注意，还会返回传入的容器的确切类型，因此不会丢失类型信息。
前两种方法一般都受约束，只能与 Collection 子类型一起使用。fill() 的第二个版本适用于任何类型的 holder 。 它需要一个附加参数：未绑定方法引用 adder. fill() ，使用辅助潜在类型来使其与任何具有添加元素方法的 holder 类型一起使用。
因为此未绑定方法 adder 必须带有一个参数（要添加到 holder 的元素），所以 adder 必须是 BiConsumer ，其中 H 是要绑定到的 holder 对象的类型，而 A 是要被添加的绑定元素类型。 对 accept() 的调用将使用参数 a 调用对象 holder 上的未绑定方法 holder。
在一个稍作模拟的测试中对 Suppliers 工具程序进行了测试，该仿真还使用了本章前面定义的 RandomList ：
BankTeller.java
// A very simple bank teller simulation
import java.util.*;
class Customer {
private static long counter = 1;
private final long id = counter++;
@Override
public String toString() {
return "Customer " + id;
}
}
class Teller {
private static long counter = 1;
private final long id = counter++;
@Override
public String toString() {
return "Teller " + id;
}
}
class Bank {
private List<BankTeller> tellers =
new ArrayList<>();
public void put(BankTeller bt) {
tellers.add(bt);
}
}
public class BankTeller {
public static void serve(Teller t, Customer c) {
System.out.println(t + " serves " + c);
}
public static void main(String[] args) {
// Demonstrate create():
RandomList<Teller> tellers =
Suppliers.create(
RandomList::new, Teller::new, 4);
// Demonstrate fill():
List<Customer> customers = Suppliers.fill(
new ArrayList<>(), Customer::new, 12);
customers.forEach(c ->
serve(tellers.select(), c));
// Demonstrate assisted latent typing:
Bank bank = Suppliers.fill(
new Bank(), Bank::put, BankTeller::new, 3);
// Can also use second version of fill():
List<Customer> customers2 = Suppliers.fill(
new ArrayList<>(),
List::add, Customer::new, 12);
}
}
RandomList.java
import java.util.*;
import java.util.stream.IntStream;
public class RandomList<T> extends ArrayList<T> {
private Random rand = new Random(47);
public T select() {
return get(rand.nextInt(size()));
}
public static void main(String[] args) {
RandomList<String> rs = new RandomList<>();
Arrays.stream(
("The quick brown fox jumped over " +
"the lazy brown dog").split(" "))
.forEach(rs::add);
IntStream.range(0, 11).forEach(i ->
System.out.print(rs.select() + " "));
}
}
可以看到 create() 生成一个新的 Collection 对象，而 fill() 添加到现有 Collection 中。第二个版本fill() 显示，它不仅与无关的新类型 Bank 一起使用，还能与 List 一起使用。因此，从技术上讲，fill() 的第一个版本在技术上不是必需的，但在使用 Collection 时提供了较短的语法。
总结：类型转换真的如此之糟吗？
自从 C++ 模版出现以来，我就一直在致力于解释它，我可能比大多数人都更早地提出了下面的论点。直到最近，我才停下来，去思考这个论点到底在多少时间内是有效的——我将要描述的问题到底有多少次可以穿越障碍得以解决。
这个论点就是：使用泛型类型机制的最吸引人的地方，就是在使用集合类的地方，这些类包括诸如各种 List 、各种 Set 、各种 Map。在 Java 5 之前，当你将一个对象放置到集合中时，这个对象就会被向上转型为 Object ，因此你会丢失类型信息。当你想要将这个对象从集合中取回，用它去执行某些操作时，必须将其向下转型回正确的类型。
我用的示例是持有 Cat 的 List （这个示例的一种使用苹果和桔子的变体在 集合 章节的开头展示过）。如果没有 Java 5 泛型版本的集合，你放到容集里和从集合中取回的都是 Object 。因此，我们很可能会将一个 Dog 放置到 Cat 的 List 中。
但是，泛型出现之前的 Java 并不会让你误用放入到集合中的对象。如果将一个 Dog 扔到 Cat 的集合中，并且试图将这个集合中的所有东西都当作 Cat 处理，那么当你从这个 Cat 集合中取回那个 Dog 引用，并试图将其转型为 Cat 时，就会得到一个 RuntimeException 。你仍旧可以发现问题，但是是在运行时而非编译期发现它的。
在本书以前的版本中，我曾经说过：
这不止令人恼火，它还可能会产生难以发现的缺陷。如果这个程序的某个部分（或数个部分）向集合中插入了对象，并且通过异常，你在程序的另一个独立的部分中发现有不良对象被放置到了集合中，那么必须发现这个不良插入到底是在何处发生的。
但是，随着对这个论点的进一步检查，我开始怀疑它了。首先，这会多么频繁地发生呢？我记得这类事情从未发生在我身上，并且当我在会议上询问其他人时，我也从来没有听说过有人碰上过。另一本书使用了一个称为 files 的 list 示例，它包含 String 对象。在这个示例中，向 files 中添加一个 File 对象看起来相当自然，因此这个对象的名字可能叫 fileNames 更好。
无论 Java 提供了多少类型检查，仍旧可能会写出晦涩的程序，而编写差劲儿的程序即便可以编译，它仍旧是编写差劲儿的程序。可能大多数人都会使用命名良好的集合，例如 cats ，因为它们可以向试图添加非 Cat 对象的程序员提供可视的警告。并且即便这类事情发生了，它真正又能潜伏多久呢？只要你开始用真实数据来运行测试，就会非常快地看到异常。
有一位作者甚至断言，这样的缺陷将“潜伏数年”。但是我不记得有任何大量的相关报告，来说明人们在查找“狗在猫列表中”这类缺陷时困难重重，或者是说明人们会非常频繁地产生这种错误。然而，你将在 多线程编程 章节中看到，在使用线程时，出现那些可能看起来极罕见的缺陷，是很寻常并容易发生的事，而且，对于到底出了什么错，这些缺陷只能给你一个很模糊的概念。因此，对于泛型是添加到 Java 中的非常显著和相当复杂的特性这一点，“狗在猫列表中”这个论据真的能够成为它的理由吗？
我相信被称为_泛型_的通用语言特性（并非必须是其在 Java 中的特定实现）的目的在于可表达性，而不仅仅是为了创建类型安全的集合。类型安全的集合是能够创建更通用代码这一能力所带来的副作用。
因此，即便“狗在猫列表中”这个论据经常被用来证明泛型是必要的，但是它仍旧是有问题的。就像我在本章开头声称的，我不相信这就是泛型这个概念真正的含义。相反，泛型正如其名称所暗示的：它是一种方法，通过它可以编写出更“泛化”的代码，这些代码对于它们能够作用的类型具有更少的限制，因此单个的代码段可以应用到更多的类型上。
正如你在本章中看到的，编写真正泛化的“持有器”类（ Java 的容器就是这种类）相当简单，但是编写出能够操作其泛型类型的泛化代码就需要额外的努力了，这些努力需要类创建者和类消费者共同付出，他们必须理解这些代码的概念和实现。这些额外的努力会增加使用这种特性的难度，并可能会因此而使其在某些场合缺乏可应用性，而在这些场合中，它可能会带来附加的价值。
还要注意到，因为泛型是后来添加到 Java 中，而不是从一开始就设计到这种语言中的，所以某些容器无法达到它们应该具备的健壮性。例如，观察一下 Map ，在特定的方法 containsKey(Object key)和 get(Object key) 中就包含这类情况。如果这些类是使用在它们之前就存在的泛型设计的，那么这些方法将会使用参数化类型而不是 Object ，因此也就可以提供这些泛型假设会提供的编译期检查。例如，在 C++ 的 map 中，键的类型总是在编译期检查的。
有一件事很明显：在一种语言已经被广泛应用之后，在其较新的版本中引入任何种类的泛型机制，都会是一项非常非常棘手的任务，并且是一项不付出艰辛就无法完成的任务。
在 C++ 中，模版是在其最初的 ISO 版本中就引入的（即便如此，也引发了阵痛，因为在第一个标准 C++ 出现之前，有很多非模版版本在使用），因此实际上模版一直都是这种语言的一部分。
在 Java 中，泛型是在这种语言首次发布大约 10 年之后才引入的，因此向泛型迁移的问题特别多，并且对泛型的设计产生了明显的影响。其结果就是，程序员将承受这些痛苦，而这一切都是由于 Java 设计者在设计 1.0 版本时所表现出来的短视造成的。当 Java 最初被创建时，它的设计者们当然了解 C++ 的模版，他们甚至考虑将其囊括到 Java 语言中，但是出于这样或那样的原因，他们决定将模版排除在外（其迹象就是他们过于匆忙）。
因此， Java 语言和使用它的程序员都将承受这些痛苦。只有时间将会说明 Java 的泛型方式对这种语言所造成的最终影响。
某些语言，已经融入了更简洁、影响更小的方式，来实现参数化类型。我们不可能不去想象这样的语言将会成为 Java 的继任者，因为它们采用的方式，与 C++ 通过 C 来实现的方式相同：按原样使用它，然后对其进行改进。