<? extends T> 及 <? supe…

2019-08-26 06:30:03来源：博客园阅读 ()

<? extends T> 及 <? super T> 重温

<? extends T> 及<? super T> 重温

本文针对泛型中<? extends T> 及<? super T>的主要区别及使用用途进行讨论.
作者尽量描述其原理,分析疑点. 希望对复习Java泛型使用,项目架构及日常使用有帮助
也是作者作为学习的加强记忆

编码例子背景

设定有一盘子(容器),可以存放物品,同时有食物,水果等可以存放在容器里面.

import com.google.common.collect.Lists; //引入guava的Lists工具方便生产List实例
class Food {
    /** name*/
    protected String name = "Food";
    /** 打印食物名称*/
    public void echo() {
        System.out.println(name);
    }
}

class Fruit extends Food {}

class Apple extends Fruit {
    public Apple() {
        name = "Apple";
    }
}

class Pear extends Fruit {
    public Pear() {
        name = "Pear";
    }
}

class Plate<T> {
    private T item;
    public Plate() {}
    public Plate(T item) {
        this.item = item;
    }
    public void set(T t) {
        item = t;
    }
    public T get() {
        return item;
    }
    /** 模仿处理泛型T实例*/
    public void methodWithT(T t) {
        //简单打印实例
        System.out.println("methodWithT,T's is : " + t);
    }
}

引出问题背景

现在,有两个容器,一个放水果(没说明放哪种),一个特指放苹果

Fruit fruit = new Fruit();
Apple apple = new Apple();

Plate<Fruit> fruitPlate = new Plate<>();
Plate<Apple> applePlate = new Plate<>();

现在对着两个容器进行一些常规操作,赋值/调用API

Fruit fruit = new Fruit();
Apple apple = new Apple();

// 父类容器,放置子类
// 此处是多态的提供的API
// apple is a fruit
fruitPlate.set(apple);
fruitPlate.methodWithT(apple);

// 父类容器引用指向(被赋值)子类容器
// 父类容器与子类容器的关系,此处关注的是容器Plate这个类!!!
// 并没有像父子类中的继承关系(多态)!!!
// apple's plate is not a fruit's plate
// ERROR
// fruitPlate = applePlate; // 装水果的盘子无法指向装苹果
// ERROR
// applePlate = fruitPlate;// 明显错误,子类容器指向父类容器

初学Java的读者看到此处,心中必定会有疑问,难道装苹果的盘子不是装水果的盘子?很遗憾,使用来修饰泛型,编译器确实是这么认为的所以,以上测试代码中,父类容器引用指向(被赋值)子类容器,编译报错,是跟多态上的认识是相反的结果
为了解决此类容器间'继承多态'问题,实现父子容器泛类引用指向,于是JDK提供了<? extends T>及 <? supper T>

<? extends T>

<? extends T> : 上界通配符(Upper Bounds Wildcards),表示上界是T,用此修饰符修饰的泛类容器,可以指向本类及子类容器

示例如下:

/**
* <? extends T> 上界通配符(Upper Bounds Wildcards)
* <p>
* Plate <? extends Fruit> extendsFruitPlate 可以被 Plate <Fruit> 及 Plate <Apple> 赋值
*/
@Test
public void extendsTest() {
    Fruit fruit = new Fruit();
    Apple apple = new Apple();
    
    Plate<Fruit> fruitPlate = new Plate<>();
    Plate<Apple> applePlate = new Plate<>();
    Plate<? extends Fruit> extendsFruitPlate ;

    // SUCCESS
    // Plate<? extends Fruit>引用可以指向Plate<Fruit>以及Plate<Apple>
    extendsFruitPlate = applePlate;
    extendsFruitPlate = fruitPlate;
}

<? supper T>

<? supper T> : 下界通配符(Lower Bounds Wildcards),表示下界是T,用此修饰符修饰的泛类容器,可以指向本类及父类容器

示例如下:

/**
* <? supper T> 下界通配符(Lower Bounds Wildcards)
* Plate <? supper Fruit> superFruitPlate 可以被 Plate <Fruit> 及 Plate <Object> 赋值
*/
@Test
public void supperTest() {
    Fruit fruit = new Fruit();
    Apple apple = new Apple();

    Plate<Fruit> fruitPlate = new Plate<>();
    Plate<Apple> applePlate = new Plate<>();
    Plate<Object> objectPlate = new Plate<>();
    Plate<? super Fruit> superFruitPlate = new Plate<>();

    // SUCCESS
    // Plate<? super Fruit>引用可以指向Plate<Fruit>以及Plate<Object>
    superFruitPlate = fruitPlate;
    superFruitPlate = objectPlate;
    
    // ERROR
    // superFruitPlate = applePlate; //  <? supper Fruit>修饰的容器不能被子类容器赋值
}

以上例子说明,<? extends T> 及<? super T>可以解决父子类泛型之间的引用问题,但同时,在使用被修饰的泛型容器的相关API,也做出了相关的调整. 可以说,这样的便利,是建立在一定的规则上,和付出一些代价的.可以肯定地是,这些限制规则,是符合多态的规则.理解后对我们工作编程上对编译器安全类型限制理解有一定的帮助

以下说明是相关调整的表现及这样的限定原因

<? extends T> 修饰的泛型其接口特点

<? extends T> 具体表现:

返回父类T的接口:调用这类型的接口返回的实例类型是父类T(这句结论说跟没说一样,理解起来特别容易.)
接收父类T的接口:这类型的接口均不可以再被调用

形象点,就如同网上绝大多数描述的一样:不能往里存，只能往外取
注:存与取,仅仅是一种表现形式,确切来说我认为是返回T接口(方法)及接收T接口(方法)更为准确
不能往里存含义是接收T接口不能再调用,否则编译异常
只能往外取含义是返回T接口可以正常使用,返回的实例类型就是T

代码表现如下:

/**
 * <? extends T> 上界通配符(Upper Bounds Wildcards)
 * 注意点: 只能获取,不能存放
 */
@Test
public void extendsAttentionTest() {
    Fruit fruit = new Fruit();
    Apple apple = new Apple();
    Pear pear = new Pear();

    Plate<? extends Fruit> extendsFruitPlate;
    extendsFruitPlate = new Plate<Fruit>(fruit);
    extendsFruitPlate = new Plate<Apple>(apple);
    extendsFruitPlate = new Plate<Pear>(pear);

    // 以下ERROR代码,尝试调用接收泛型T的方法,均编译不过
    // ERROR:
    // extendsFruitPlate.set(fruit);
    // extendsFruitPlate.set(apple);
    // extendsFruitPlate.set(pear);
    // extendsFruitPlate.set(new Object());
    // extendsFruitPlate.methodWithT(fruit);
    // extendsFruitPlate.methodWithT(apple);
    // extendsFruitPlate.methodWithT(pear);
    // extendsFruitPlate.methodWithT(new Object());
    // 以上注释的错误代码,初学者也会有疑问,
    // 为什么<Plate<? extends Fruit> extendsFruitPlate;这样装水果子类的盘子,
    // 现在什么东西都不能放了?那我还要这个容器有什么用?这是不是跟思维惯性认知有点偏差?

    // SUCCESS
    // 返回的是泛型T即Fruit,具体的实例是Pear类型
    Fruit getFruit = extendsFruitPlate.get();
    getFruit.echo();// 输出Pear

    // 接口测试
    class ExtendsClass {
        public void extendsMethod(List<? extends Fruit> extendsList) {
            // ERROR:
            // 出错原理同上,不能调用接收泛型T的方法
            // extendsList.add(fruit);
            // extendsList.add(apple);
            // extendsList.add(new Object());
            // SUCCESS
            // 获取是父类,可以强转为子类再使用
            Fruit getFruitByList = extendsList.get(0);
            getFruitByList.echo();
        }
    }
    List<Fruit> fruits = Lists.newArrayList(fruit);
    List<Apple> apples = Lists.newArrayList(apple);
    ExtendsClass extendsClass = new ExtendsClass();
    // List<? extends Fruit> extendsList可以接收List<Fruit>/List<Apple>
    extendsClass.extendsMethod(fruits);
    extendsClass.extendsMethod(apples);
}

<? extends T> 相关限制的原因

Fruit fruit = new Fruit();
Apple apple = new Apple();
Pear pear = new Pear();
Plate<? extends Fruit> extendsFruitPlate;
extendsFruitPlate = new Plate<Fruit>(fruit);
extendsFruitPlate = new Plate<Apple>(apple);
extendsFruitPlate = new Plate<Pear>(pear);

编译器的理解: Plate<? extends Fruit> extendsFruitPlate 这个盘子 :

你不能保证读取到 Apple ,因为 extendsFruitPlate 可能指向的是 Plate<Fruit>
你不能保证读取到 Pear ,因为 extendsFruitPlate 可能指向的是 Plate<Apple>
你可以读取到 Fruit ,因为 extendsFruitPlate 要么包含 Fruit 实例,要么包含 Fruit 的子类实例.
你不能插入一个 Fruit 元素，因为 extendsFruitPlate 可能指向 Plate<Apple>或 Plate<Pear>
你不能插入一个 Apple 元素，因为 extendsFruitPlate 可能指向 Plate<Fruit> 或 Plate<Pear>
你不能插入一个 Pear 元素，因为 extendsFruitPlate 可能指向 Plate<Fruit> 或 Plate<Apple>

你不能往Plate<? extends T>中插入任何类型的对象,因为你不能保证列表实际指向的类型是什么,
你并不能保证列表中实际存储什么类型的对象,唯一可以保证的是,你可以从中读取到T或者T的子类.

所以,

可以调用接收泛型T的方法的接口 extendsFruitPlate.get() 获取 Fruit 的实例
却不能调用接收泛型T接口 extendsFruitPlate.set(fruit)添加任何元素
也不能调用接收泛型T接口 extendsFruitPlate.methodWithT(fruit)处理任何对象

当extendsFruitPlate指向 Plate<Pear>时候, 调用extendsFruitPlate.set(fruit)和extendsFruitPlate.methodWithT(fruit)调用等价于

Apple apple = new Apple();
Plate<Pear> pearPlate=new Plate<Pear>();
// 以下明显类型不相同,且不符合多态,导致类型转换异常
pearPlate.set(apple);
pearPlate.methodWithT(apple);

可以说,<? extends T> 修饰的泛型容器可以指向子类容器,是建立在不能调用接收泛型T的方法条件上的,否则运行时将可能产生类型转换异常
编译器总是往最安全的情况考虑,尽量把可能存在的问题在编译期间就反映出来.所以编译器在处理<? extends T> 修饰的泛型容器时候,干脆让这个容器得接收泛型T方法不能再调用了

<? super T> 修饰的泛型其接口特点

<? super T> 具体表现

返回父类T的接口:调用这类型的接口返回的类型是Object类型
接收父类T的接口:调用这类型的只能传入父类T及T的子类实例

形象点,就如同网上绝大多数描述的一样:不影响往里存，但是往外取只能放在 Object
注:存与取,仅仅是一种表现形式,确切来说我认为是返回T接口(方法)及接收T接口(方法)更为准确
不影响往里存含义:调用这类型的只能传入父类T及T的子类实例
往外取只能放在 Object含义:调用这类型的接口返回的类型是Object类型,可以通过强转手段转化为子类

代码表现如下:

/**
 * <? supper T> 下界通配符(Lower Bounds Wildcards)
 * 注意点: 取出是Object,存放是父类或子类
 */
@Test
public void superAttentionTest() {
    Object object = new Object();
    Food food = new Food();
    Fruit fruit = new Fruit();
    Apple apple = new Apple();
    Pear pear = new Pear();

    Plate<? super Fruit> superFruitPlate;
    // 可以被 Plate<Object> , Plate<Food> ,Plate<Fruit> Plate<父类容器> 赋值
    superFruitPlate = new Plate<Object>(object);
    superFruitPlate = new Plate<Food>();
    superFruitPlate = new Plate<Fruit>();

    // SUCCESS
    superFruitPlate.set(fruit);
    superFruitPlate.set(apple);
    superFruitPlate.set(pear);
    superFruitPlate.methodWithT(fruit);
    superFruitPlate.methodWithT(apple);
    superFruitPlate.methodWithT(pear);
    // ERROR:接收父类T的接口,当[不是 T或T的子类时],则编译异常
    // superFruitPlate.set(food);
    // superFruitPlate.set(object);
    // superFruitPlate.methodWithT(food);
    // superFruitPlate.methodWithT(object);
    // 以上注释的错误代码,初学者也会有疑问,
    // 为什么<Plate<? super Fruit> superFruitPlate;这样可以指向水果父类的盘子,
    // 现在却只能放子类?这是不是跟思维惯性认知有点偏差?

    // 只能获取到Object对象,需要进行强转才可以进行调用相关API
    Object supperFruitPlateGet = superFruitPlate.get();
    if (supperFruitPlateGet instanceof Fruit) {
        // 为什么需要 instanceof ? 
        // superFruitPlate可以指向Plate<Food>,获取出来实际是Food实例
        Fruit convertFruit = (Fruit) supperFruitPlateGet;
        convertFruit.echo();
    }

    // 接口测试
    class SuperClass {
        public void supperMethod(List<? super Fruit> superList) {

            superList.add(fruit);
            superList.add(apple);
            superList.add(pear);
            // ERROR:原因如上,调用method(T t)时候,当t[不是 T或T的子类时],则编译异常
            // superList.add(object);
            // superList.add(food);
            Object innerObject = superList.get(0);
            if (innerObject instanceof Fruit) {
                // 为什么需要 instanceof ? 
                // 像这样:superFruitPlate 可以指向List<Object> objects,获取出来是Object
                Fruit innerConvertFruit = (Fruit) innerObject;
                innerConvertFruit.echo();
            } else {
                System.out.println("supperMethod:非Fruit,插入非本类或非子类:" + innerObject);
            }
        }
    }
    List<Object> objects = new ArrayList<>(Arrays.asList(object));
    List<Food> foods = new ArrayList<>(Arrays.asList(food));
    List<Fruit> fruits = new ArrayList<>(Arrays.asList(fruit));
    List<Apple> apples = new ArrayList<>(Arrays.asList(apple));
    List<Pear> pears = new ArrayList<>(Arrays.asList(pear));
    SuperClass superClass = new SuperClass();
    superClass.supperMethod(objects);
    superClass.supperMethod(foods);
    superClass.supperMethod(fruits);
    // ERROR 原因同上,非Fruit及Fruit父类容器则编译不通过
    // superClass.supperMethod(apples);
    // superClass.supperMethod(pears);
}

<? super T> 相关限制的原因

Plate<? super Fruit> superFruitPlate;
// 可以被 Plate<Object> , Plate<Food> ,Plate<Fruit> Plate<父类容器> 赋值
superFruitPlate = new Plate<Object>(object);
superFruitPlate = new Plate<Food>();
superFruitPlate = new Plate<Fruit>();

编译器的理解: Plate<? super Fruit> superFruitPlate 这个盘子 ,

superFruitPlate 不能确保读取到 Fruit ,因为 superFruitPlate 可能指向 Plate<Object> 或Plate<Food>
superFruitPlate 不能确保读取到 Food ,因为 superFruitPlate 可能指向 Plate<Object>

所以,取出来必须是Object,最后需要则调用强转

你不能插入一个 Food 元素，因为 superFruitPlate 可能指向 Plate<Fruit>
你不能插入一个 Object 元素，因为 superFruitPlate 可能指向Plate<Fruit> 或 Plate<Food>
你可以插入一个 Fruit/Apple/Pear 类型的元素,因为 Fruit/Apple/Pear 类都是 Fruit,Food,Object的本类或子类

所以,从 superFruitPlate 获取到的都是Object对象,superFruitPlate 插入的都是Fruit的本类或本身

故有如下结论:

superFruitPlate 调用返回父类T的接口,获取到的都是 Object 对象;
superFruitPlate 调用接收父类T的接口,只能传入父类T及T的子类实例

当 superFruitPlate 指向 Plate ,
调用 superFruitPlate.set(food) 和
superFruitPlate.methodWithT(food)
调用等价于:

Plate<Fruit> pearPlate=new Plate<Fruit>();
Food food=new Food();
// 以下明显类型不相同,且不符合多态,导致类型转换异常
fruitPlate.set(food);
fruitPlate.methodWithT(food);

可以说,<? super T> 修饰的泛型容器可以指向父类容器,是建立在调用接收T的接口,只能传入T及T的子类实例条件上的,否则运行时将可能产生类型转换异常
编译器总是往最安全的情况考虑,尽量把可能存在的问题在编译期间就反映出来.所以编译器在处理<? super T> 修饰的泛型容器时候,干脆让这个容器得接收泛型T方法只能传入T及T的子类

PECS (Producter Extends, Consumer Super) 原则

以上原则来源两者主要区别,合理使用其优点,有种去其糟粕,取其精华的意思

<? extends T> : 可以获取父类,向外提供内容,为生产者角色
<? super T> : 可以调用接收/处理父类及子类的接口,为消费者角色

举一个JDK 中例子:

    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
        int srcSize = src.size();
        if (srcSize > dest.size())
            throw new IndexOutOfBoundsException("Source does not fit in dest");

        if (srcSize < COPY_THRESHOLD ||
            (src instanceof RandomAccess && dest instanceof RandomAccess)) {
            for (int i=0; i<srcSize; i++)
                dest.set(i, src.get(i));
        } else {
            ListIterator<? super T> di=dest.listIterator();
            ListIterator<? extends T> si=src.listIterator();
            for (int i=0; i<srcSize; i++) {
                di.next();
                // si 来源List<? super T> dest,向外提供内容,生产者
                // di 来源List<? extends T> src,接收/处理类型T的本类或子类,消费者
                di.set(si.next());
            }
        }
    }