Java-Generika erklärt

Einführung

Generics sind ein sehr wichtiger Wissenspunkt in Java. Generics werden häufig im Java-Collection-Class-Framework verwendet. In diesem Artikel werden wir uns das Design von Java-Generika von Grund auf ansehen, was die Verarbeitung von Platzhaltern und das lästige Löschen von Typen mit sich bringt.

Allgemeine Grundlagen

Generische Klasse

​Wir definieren zunächst eine einfache Box-Klasse:

public class Box {
    private String object;
    public void set(String object) { this.object = object; }
    public String get() { return object; }
}

Dies ist der gebräuchlichste Ansatz. Ein Nachteil besteht darin, dass jetzt nur Elemente vom Typ String in Box geladen werden können. Wenn wir in Zukunft andere Elementtypen wie Integer laden müssen, müssen wir eine andere Box neu schreiben, und der Code wird dies tun Wenn es um die Wiederverwendung geht, kann die Verwendung von Generika dieses Problem sehr gut lösen.

public class Box<T> {
    // T stands for "Type"
    private T t;
    public void set(T t) { this.t = t; }
    public T get() { return t; }
}

Auf diese Weise kann unsere Box-Klasse wiederverwendet werden und wir können T durch jeden gewünschten Typ ersetzen:

Box<Integer> integerBox = new Box<Integer>();
Box<Double> doubleBox = new Box<Double>();
Box<String> stringBox = new Box<String>();

Generische Methoden

Nachdem wir etwas über generische Klassen gelesen haben, werfen wir einen Blick auf generische Methoden. Das Deklarieren einer generischen Methode ist sehr einfach. Fügen Sie einfach eine Form wie vor dem Rückgabetyp hinzu:

public class Util {
    public static <K, V> boolean compare(Pair<K, V> p1, Pair<K, V> p2) {
        return p1.getKey().equals(p2.getKey()) &&
               p1.getValue().equals(p2.getValue());
    }
}
public class Pair<K, V> {
    private K key;
    private V value;
    public Pair(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }
    public void setKey(K key) { this.key = key; }
    public void setValue(V value) { this.value = value; }
    public K getKey()   { return key; }
    public V getValue() { return value; }
}

Wir können generische Methoden wie folgt aufrufen:

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.<Integer, String>compare(p1, p2);

Oder verwenden Sie die Typinferenz in Java1.7/1.8, damit Java automatisch die entsprechenden Typparameter ableitet:

Pair<Integer, String> p1 = new Pair<>(1, "apple");
Pair<Integer, String> p2 = new Pair<>(2, "pear");
boolean same = Util.compare(p1, p2);

Grenzzeichen

Jetzt wollen wir eine solche Funktion implementieren, um die Anzahl der Elemente in einem generischen Array zu finden, die größer als ein bestimmtes Element ist. Wir können es wie folgt implementieren:

public static <T> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e > elem)  // compiler error
            ++count;
    return count;
}

Dies ist jedoch offensichtlich falsch, da andere Klassen mit Ausnahme primitiver Typen wie short, int, double, long, float, byte, char usw. möglicherweise nicht in der Lage sind, den Operator > zu verwenden, sodass der Compiler einen Fehler meldet Wie kann man dieses Problem lösen? Wollstoff? Die Antwort besteht darin, Grenzzeichen zu verwenden.

public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}

Das Erstellen einer Anweisung ähnlich der folgenden ist gleichbedeutend damit, dem Compiler mitzuteilen, dass der Typparameter T Klassen darstellt, die die Comparable-Schnittstelle implementieren, was gleichbedeutend damit ist, dem Compiler mitzuteilen, dass sie alle mindestens die Methode „compareTo“ implementieren.

public static <T extends Comparable<T>> int countGreaterThan(T[] anArray, T elem) {
    int count = 0;
    for (T e : anArray)
        if (e.compareTo(elem) > 0)
            ++count;
    return count;
}

Platzhalter

Bevor wir Platzhalter verstehen, müssen wir zunächst ein Konzept klären. Nehmen wir an, wir fügen eine Methode wie diese hinzu:

public void boxTest(Box<Number> n) { /* ... */ }

Welche Arten von Parametern kann Box nun akzeptieren? Können wir Box übergeben? Die Antwort lautet: Nein. Obwohl Integer und Double Unterklassen von Number sind, gibt es keine Beziehung zwischen Box Das ist sehr wichtig. Lassen Sie uns unser Verständnis anhand eines vollständigen Beispiels vertiefen.

​Zuerst definieren wir ein paar einfache Klassen, die wir im Folgenden verwenden werden:

class Fruit {}
class Apple extends Fruit {}
class Orange extends Fruit {}

Im folgenden Beispiel erstellen wir eine generische Klasse Reader, und wenn wir dann Fruit f = FruitReader.readExact(apples); ausprobieren, meldet der Compiler einen Fehler, da zwischen List Apple> Es besteht keine Beziehung.

public class GenericReading {
    static List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple());
    static List<Fruit> fruit = Arrays.asList(new Fruit());
    static class Reader<T> {
        T readExact(List<T> list) {
            return list.get(0);
        }
    }
    static void f1() {
        Reader<Fruit> fruitReader = new Reader<Fruit>();
        // Errors: List<Fruit> cannot be applied to List<Apple>.
        // Fruit f = fruitReader.readExact(apples);
    }
    public static void main(String[] args) {
        f1();
    }
}

Aber nach unseren üblichen Denkgewohnheiten muss es eine Verbindung zwischen Apple und Fruit geben, aber der Compiler kann sie nicht erkennen. Wie kann dieses Problem in generischem Code gelöst werden? Wir können dieses Problem lösen, indem wir Platzhalter verwenden:

static class CovariantReader<T> {
    T readCovariant(List<? extends T> list) {
        return list.get(0);
    }
}
static void f2() {
    CovariantReader<Fruit> fruitReader = new CovariantReader<Fruit>();
    Fruit f = fruitReader.readCovariant(fruit);
    Fruit a = fruitReader.readCovariant(apples);
}
public static void main(String[] args) {
    f2();
}

Dies ist gleichbedeutend damit, dem Compiler mitzuteilen, dass die von der readCovariant-Methode von FruitReader akzeptierten Parameter nur eine Unterklasse von Fruit sein müssen (einschließlich Fruit selbst), sodass auch die Beziehung zwischen der Unterklasse und der übergeordneten Klasse in Beziehung steht.

PECS-Prinzip

Oben haben wir eine ähnliche Verwendung wie gesehen, mit der wir Elemente aus der Liste abrufen können. Können wir also Elemente zur Liste hinzufügen? Probieren wir es aus:

public class GenericsAndCovariance {
    public static void main(String[] args) {
        // Wildcards allow covariance:
        List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
        // Compile Error: can&#39;t add any type of object:
        // flist.add(new Apple())
        // flist.add(new Orange())
        // flist.add(new Fruit())
        // flist.add(new Object())
        flist.add(null); // Legal but uninteresting
        // We Know that it returns at least Fruit:
        Fruit f = flist.get(0);
    }
}

Die Antwort ist nein, der Java-Compiler erlaubt uns das nicht, warum? Wir könnten dieses Problem genauso gut aus der Perspektive des Compilers betrachten. Da List erweitert, kann flist selbst mehrere Bedeutungen haben:

List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Fruit>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Apple>();
List<? extends Fruit> flist = new ArrayList<Orange>();

• Wenn wir versuchen, einen Apple hinzuzufügen, verweist flist möglicherweise auf new ArrayList();

• Wenn wir versuchen, eine Orange hinzuzufügen, zeigt flist möglicherweise auf new ArrayList();

• Wenn wir versuchen, eine Frucht hinzuzufügen, kann es sich bei der Frucht um eine beliebige Fruchtart handeln, und flist möchte möglicherweise nur eine bestimmte Fruchtart. Der Compiler kann sie nicht erkennen und meldet einen Fehler.

Daher ist die Sammlungsklasse, die

Was sollen wir tun, wenn wir Elemente hinzufügen möchten? Sie können verwenden:

public class GenericWriting {
    static List<Apple> apples = new ArrayList<Apple>();
    static List<Fruit> fruit = new ArrayList<Fruit>();
    static <T> void writeExact(List<T> list, T item) {
        list.add(item);
    }
    static void f1() {
        writeExact(apples, new Apple());
        writeExact(fruit, new Apple());
    }
    static <T> void writeWithWildcard(List<? super T> list, T item) {
        list.add(item)
    }
    static void f2() {
        writeWithWildcard(apples, new Apple());
        writeWithWildcard(fruit, new Apple());
    }
    public static void main(String[] args) {
        f1(); f2();
    }
}

　　这样我们可以往容器里面添加元素了，但是使用super的坏处是以后不能get容器里面的元素了，原因很简单，我们继续从编译器的角度考虑这个问题，对于List list，它可以有下面几种含义：

List<? super Apple> list = new ArrayList<Apple>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Fruit>();
List<? super Apple> list = new ArrayList<Object>();

　　当我们尝试通过list来get一个Apple的时候，可能会get得到一个Fruit，这个Fruit可以是Orange等其他类型的Fruit。

　　根据上面的例子，我们可以总结出一条规律，”Producer Extends, Consumer Super”：

• “Producer Extends” – 如果你需要一个只读List，用它来produce T，那么使用? extends T。

• “Consumer Super” – 如果你需要一个只写List，用它来consume T，那么使用? super T。

• 如果需要同时读取以及写入，那么我们就不能使用通配符了。

　　如何阅读过一些Java集合类的源码，可以发现通常我们会将两者结合起来一起用，比如像下面这样：

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));
    }
}

　类型擦除

　　Java泛型中最令人苦恼的地方或许就是类型擦除了，特别是对于有C++经验的程序员。类型擦除就是说Java泛型只能用于在编译期间的静态类型检查，然后编译器生成的代码会擦除相应的类型信息，这样到了运行期间实际上JVM根本就知道泛型所代表的具体类型。这样做的目的是因为Java泛型是1.5之后才被引入的，为了保持向下的兼容性，所以只能做类型擦除来兼容以前的非泛型代码。对于这一点，如果阅读Java集合框架的源码，可以发现有些类其实并不支持泛型。

　　说了这么多，那么泛型擦除到底是什么意思呢？我们先来看一下下面这个简单的例子：

public class Node<T> {
    private T data;
    private Node<T> next;
    public Node(T data, Node<T> next) }
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public T getData() { return data; }
    // ...
}

　　编译器做完相应的类型检查之后，实际上到了运行期间上面这段代码实际上将转换成：

public class Node {
    private Object data;
    private Node next;
    public Node(Object data, Node next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
    public Object getData() { return data; }
    // ...
}

　　这意味着不管我们声明Node还是Node，到了运行期间，JVM统统视为Node