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java泛型上边界 下边界

java泛型上边界 下边界

作者: zhengaoly | 来源:发表于2021-10-26 18:06 被阅读0次

    <? extends T><? 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)”

    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<T>{   
    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<Fruit> p=new Plate<Apple>(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>
    

    所以我的尴尬症就犯了。实际上,编译器脑袋里认定的逻辑是这样的:

    • 苹果 IS-A 水果
    • 装苹果的盘子 NOT-IS-A 装水果的盘子

    所以,就算容器里装的东西之间有继承关系,但容器之间是没有继承关系的。所以我们不可以把 Plate 的引用传递给 Plate。

    为了让泛型用起来更舒服,Sun 的大脑袋们就想出了<? extends T><? super T>的办法,来让”水果盘子 “和” 苹果盘子“之间发生关系。

    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>Plate<Apple>最大的区别就是:Plate<? extends Fruit>Plate<Fruit>以及Plate<Apple>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<Apple>(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 
    4class 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。

    image.png

    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基类的盘子。Plate<? super Fruit>Plate<Fruit>的基类,但不是Plate<Apple>的基类。对应刚才那个例子,Plate<? super Fruit>覆盖下图中红色的区域。

    image

    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<T>{    
    private T item;    
    public Plate(T t){item=t;}    
    public void set(T t){item=t;}    
    public T get(){return item;}
    }
    

    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<Apple>(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 <T> List<T> 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。

    所以题主问题里的错误就在这里,Plate<? extends Fruit>里什么都放不进去。

    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<Fruit>(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。

    PECS 原则

    最后看一下什么是 PECS(Producer Extends Consumer Super)原则,已经很好理解了:

    • 频繁往外读取内容的,适合用上界 Extends。
    • 经常往里插入的,适合用下界 Super。

    来自知乎的另一个回答:
    链接:https://www.zhihu.com/question/20400700/answer/117624335

    java 是单继承,所有继承的类构成一棵树。
    假设 A 和 B 都在一颗继承树里(否则 super,extend 这些词没意义)。
    A super B 表示 A 是 B 的父类或者祖先,在 B 的上面。
    A extend B 表示 A 是 B 的子类或者子孙,在 B 下面。

    由于树这个结构上下是不对称的,所以这两种表达区别很大。假设有两个泛型写在了函数定义里,作为函数形参(形参和实参有区别):

    1. 参数写成:T<? super B>,对于这个泛型,? 代表容器里的元素类型,由于只规定了元素必须是 B 的超类,导致元素没有明确统一的 “根”(除了 Object 这个必然的根),所以这个泛型你其实无法使用它,对吧,除了把元素强制转成 Object。所以,对把参数写成这样形态的函数,你函数体内,只能对这个泛型做插入操作,而无法读

    2. 参数写成: T<? extends B>,由于指定了 B 为所有元素的 “根”,你任何时候都可以安全的用 B 来使用容器里的元素,但是插入有问题,由于供奉 B 为祖先的子树有很多,不同子树并不兼容,由于实参可能来自于任何一颗子树,所以你的插入很可能破坏函数实参,所以,对这种写法的形参,禁止做插入操作,只做读取

    具体请看 《effective java》里,Joshua Bloch 提出的 PECS 原则
    java - What is PECS (Producer Extends Consumer Super)?

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