Java 理论与实践: 使用通配符简化泛型使用

在 Java 语言中，数组是协变的（因为一个 Integer 同时也是一个 Number，一个 Integer 数组同时也是一个 Number 数组），但是泛型不是这样的（List<Integer> 并不等于 List<Number>）。人们会争论哪些选择是 “正确的”，哪些选择是 “错误的” — 当然，每种选择都各有优缺点 — 但有一点毫无疑问，存在两种使用差别很小的语义构造派生类型的类似机制，这将导致大量错误和误解。

有界通配符（一些有趣的 “? extends T” 通用类型说明符）是语言提供的一种工具，用来处理协变性缺乏 — 有界通配符允许类声明方法参数或返回值何时具有协变性（或相反，声明方法参数或返回值何时具有逆变性（contravariant））。虽然了解何时使用有界通配符是泛型较为复杂的方面，但是，使用有界通配符的压力通常都落在库作者的身上，而非库用户。最常见的有界通配符错误就是忘记使用它们，这就限制了类的使用，或是强制用户不得不重用现有的类。

有界通配符的作用

让我们从一个简单的泛型类开始（一个称为 Box 的值容器），它持有一个具有已知类型的值：

public interface Box<T> {
    public T get();
    public void put(T element);
}

由于泛型不具备协变性，Box<Integer> 并不等同于 Box<Number>，尽管 Integer 属于 Number。但是对于 Box 这样的简单泛型类来说，这不成问题，并且常常被忽略，因为 Box<T> 的接口完全指定为 T 类型的变量 — 而不是通过 T 泛型化的类型。直接处理类型变量允许实现多态性。清单 1 展示了这种多态性的两个示例：获取 Box<Integer> 的内容，并将它作为一个 Number，然后将一个 Integer 放入 Box<Number> 中：

清单 1. 通过泛型类利用固有的多态性

                
Box<Integer> iBox = new BoxImpl<Integer>(3);
Number num = iBox.get();

Box<Number> nBox = new BoxImpl<Number>(3.2);
Integer i = 3;
nBox.put(i);

通过使用简单的 Box 类，使我们确信可以没有协变性，因为在需要实现多态的位置，数据已经具有某种形式，使编译器能够应用适当的子类型规则。

然而，如果希望 API 不仅能够处理 T 类型的变量，还能处理通过 T 泛型化的类型，事情将变得更加复杂。假设希望将一个新的方法添加到 Box，该方法允许获得另一个 Box 的内容并其放到清单 2 所示的 Box 中：

清单 2. 扩展的 Box 接口并不灵活

                
public interface Box<T> {
    public T get();
    public void put(T element);
    public void put(Box<T> box);
}

这个扩展 Box 的问题是，只能将内容放到类型参数与原 box 完全相同的 Box 中。因此，清单 3 中的代码就不能进行编译：

清单 3. 泛型不具备协变性

                
Box<Number> nBox = new BoxImpl<Number>();
Box<Integer> iBox = new BoxImpl<Integer>();

nBox.put(iBox);     // ERROR

显示一条错误消息，表示无法在 Box<Number> 中找到方法 put(Box<Integer>)。如果认为泛型是不具有协变性的，这条错误还讲得通；一个 Box<Integer> 不是 Box<Number>，尽管 Integer 是 Number，但是这使得 Box 类的 “泛型性” 比我们期望的要弱。要提高泛型代码的有效性，可以指定一个上限（或下限），而不是指定某个泛型类型参数的精确类型。这可以使用有界通配符来实现，它的形式为 “? extends T” 或 “? super T”。（有界通配符只能用作类型参数，而不能作为类型本身 — 因此，需要一个有界的命名的类型变量）。在清单 4 中，修改了 put() 的签名以使用一个上限通配符 — Box<? extends T>，这表示 Box 的类型参数可以是 T 或 T 的任何子类。

清单 4. 对清单 3 的 Box 类的改进解释了协变性

                
public interface Box<T> {
    public T get();
    public void put(T element);
    public void put(Box<? extends T> box);
}

现在，清单 3 中的代码可以进行编译并执行，因为 put() 的参数现在可以是参数类型为 T 或 T 的子类型的 Box。由于 Integer 是 Number 的子类型，编译器能够解析方法引用 put(Box<Integer>)，因为 Box<Integer> 匹配有界通配符 Box<? extends Number>。

很容易犯清单 3 中的 Box 错误，即使是专家也难以避免 — 在平台类库中，许多地方都使用 Collection<T>，而不是 Collection<? extends T>。例如，在 java.util.concurrent 包的 AbstractExecutorService 中，invokeAll() 的参数最初是一个 Collection<Callable<T>>。但是，这样使用 invokeAll() 非常麻烦，因为这要求必须由 Callable<T> 参数化的集合持有任务集，而不是由实现 Callable<T> 的类参数化的集合。在 Java 6 中，这种签名被修改为 Collection<? extends Callable<T>> — 这只是为了演示非常容易犯这个错误，正确的修复应该是使 invokeAll() 包含一个 Collection<? extends Callable<? extends T>> 参数。这个参数无疑更加难看，但不会给客户机带来麻烦。

下限通配符

上面的大多数有界通配符都进行了限定；“? extends T” 符号为类型添加了一个上限。但是，虽然比较少见，仍然可以使用 “? super T” 符号为类型添加一个下限，表示 “类型 T 以及它的任何超类”。当您希望指定一个回调对象（例如一个比较器）或存放某个值的数据结构，可以使用下限通配符。

假设我们希望增强 Box，使它能够与另一个 box 的内容进行比较。可以通过 containsSame() 方法和 Comparator 回调对象的定义扩展 Box，如清单 5 所示：

清单 5. 尝试向 Box 添加一个比较方法

                
public interface Box<T> {
    public T get();
    public void put(T element);
    public void put(Box<? extends T> box);

    boolean containsSame(Box<? extends T> other, 
                         EqualityComparator<T> comparator);

    public interface EqualityComparator<T> {
        public boolean compare(T first, T second);
    }
}

可以使用一个通配符定义 containsSame() 中另一个 box 的类型，这将避免前面遇到的问题。但是仍然会遇到一个类似的问题；比较器参数必须是 EqualityComparator<T>。这意味着我们不能编写如清单 6 所示的代码：

清单 6. 使用清单 5 中的比较方法会导致失败

                
public static EqualityComparator<Object> sameObject 
    = new EqualityComparator<Object>() {
        public boolean compare(Object o1, Object o2) {
            return o1 == o2;
        }
};

...

BoxImpl<Integer> iBox = ...;
BoxImpl<Number> nBox = ...;

boolean b = nBox.containsSame(iBox, sameObject);

在这里使用一个 EqualityComparator<Object> 似乎非常合理。既然可以使用泛型指定，客户机就不必为每一个可能的 Box 类型创建独立的比较器了！解决方法是使用一个下限通配符 “? super T”。使用 compareTo() 方法扩展的正确 Box 类如清单 7 所示：

清单 7. 清单 5 中的比较操作在使用有界通配符后更加灵活

                
public interface Box<T> {
    public T get();
    public void put(T element);
    public void put(Box<? extends T> box);

    boolean containsSame(Box<? extends T> other, 
                         EqualityComparator<? super T> comparator);

    public interface EqualityComparator<T> {
        public boolean compare(T first, T second);
    }
}

通过使用一个下限通配符，containsSame() 方法表示需要能够比较 T 或它的任何超类型 的工具，这就允许我们提供一个能够比较对象的比较器，并且不需要使用 EqualityComparator<Number> 封装它。

get-put 原则

有一个流传已久的笑话：“佩戴一只手表的人常常知道时间，而佩戴两只手表后反而难以确定了”。由于 Java 语言同时支持上限和下限通配符，那么如何判断何时使用哪一种呢？

这里有一条简单的规则，称为 get-put 原则，它解释了应该使用哪一种通配符。get-put 原则首次出现在 Naftalin 和 Wadler 所著的有关泛型的 Java Generics and Collections 一书中（参见参考资料），它是这样描述的：

仅从某个结构中获取值时使用 extends 通配符；仅将值放入某个结构时使用 super 通配符；同时执行以上两种操作时不要使用通配符。

在应用到 Box 等容器类或 Collections 类时，get-put 原则很好理解，因为 get 和 put 概念和这些类的作用有着自然的联系：存储内容。因此，如果希望应用 get-put 原则来创建一个可以在 Box 之间进行复制的方法，最常见的形式如清单 8 所示，其中复制源使用上限通配符，目标使用下限通配符：

清单 8. 同时使用上限和下限通配符的 Box 复制方法

                
public static<T> void copy(Box<? extends T> from, Box<? super T> to) {
    to.put(from.get());
}

如果对前面的 containsSame() 方法（对 box 使用了上限通配符而对比较器使用了下限通配符）应用 get-put 原则？第一步很简单：需要从其他 box 获取一个值，因此使用一个 extends 通配符。但第二步有点复杂 — 因为比较器并不是容器，因此与从一个数据结构获得或存入值有所不同。

当数据类型并不是一个明显的容器类（例如集合）时，应该这样考虑 get-put 原则：尽管 EqualityComparator 不是一个数据结构，仍然可以向它 “存入” 值 — 即将值传递给它的一个方法。在 containsSame() 方法中，使用 Box 作为值的生成器（从 Box 获取值）并使用比较器作为值的使用者（将值传递给比较器）。因此可以对 Box 使用 extends 通配符，而对比较器使用 super 通配符。

我们可以看到 get-put 应用到了 Collections.sort() 的声明中，如清单 9 所示：

清单 9. 使用下限通配符的另一个示例

                
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T>list) { ... }