輕松掌握 Java 泛型 (第 3 部分)

2019-11-18 13:15:10

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供稿：網(wǎng)友

　　有效的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用
　　首先，為了對類型參數(shù)構(gòu)造合法的 new 表達(dá)式（如 new T()），必須確保我們調(diào)用的構(gòu)造函數(shù)對于 T 的每個實例化都有效。但由于我們只知道 T 是其已聲明界限的子類型，所以我們不知道 T 的某一實例化將有什么構(gòu)造函數(shù)。要解決這一問題，可以用下述三種方法之一：
　　
　　要求類型參數(shù)的所有實例化都包括不帶參數(shù)的（zeroary）構(gòu)造函數(shù)。
　　只要泛型類的運(yùn)行時實例化沒有包括所需的構(gòu)造函數(shù)，就拋出異常。
　　修改語言的語法以包括更詳盡的類型參數(shù)界限。
　　
　　第 1 種方法：需要不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)
　　只要求類型參數(shù)的所有實例化都包括不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。該解決方案的優(yōu)點是非常簡單。使用這種方法也有先例。
　　
　　處理類似問題的現(xiàn)有 java 技術(shù)（象 JavaBean 技術(shù)）就是通過要求一個不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)來解決問題的。然而，該方法的一個主要缺點是：對于許多類，沒有合理的不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。
　　
　　例如，表示非空容器的任何類在構(gòu)造函數(shù)中必然使用表示其元素的參數(shù)。包括不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)將迫使我們先創(chuàng)建實例，然后再進(jìn)行本來可以在構(gòu)造函數(shù)調(diào)用中完成的初始化。但該實踐會導(dǎo)致問題的產(chǎn)生（您可能想要閱讀 2002 年 4 月發(fā)表的本專欄文章“The Run-on Initializer bug pattern”，以獲取具體信息；請參閱參考資料。）
　　
　　第 2 種方法：當(dāng)缺少所需構(gòu)造函數(shù)時，拋出異常
　　處理該問題的另一種方法是：只要泛型類的運(yùn)行時實例化沒有包括所需構(gòu)造函數(shù)，就拋出異常。請注重：必須在運(yùn)行時拋出異常。因為 Java 語言的遞增式編譯模型，所以我們無法靜態(tài)地確定所有將在運(yùn)行時發(fā)生的泛型類的實例化。例如，假設(shè)我們有如下一組泛型類：
　　
　　清單 1.“裸”類型參數(shù)的 New 操作
　　
　　class C< T> {
　　　T makeT() {
　　　　return new T();
　　　}
　　}
　　
　　class D< S> {
　　　C< S> makeC() {
　　　　return new C< S>();
　　　}
　　}
　　
　　現(xiàn)在，在類 D< S> 中，構(gòu)造了類 C< S> 的實例。然后，在類 C 的主體中，將調(diào)用 S 的不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。這種不帶參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)存在嗎？答案當(dāng)然取決于 S 的實例化！
　　
　　比方說，假如 S 被實例化為 String，那么答案是“存在”。假如它被實例化為 Integer，那么答案是“不存在”。但是，當(dāng)編譯類 D 和 C 時，我們不知道其它類會構(gòu)造什么樣的 D< S> 實例化。即使我們有可用于分析的整個程序（我們幾乎從來沒有這樣的 Java 程序），我們還是必須進(jìn)行代價相當(dāng)高的流分析來確定潛在的構(gòu)造函數(shù)問題可能會出現(xiàn)在哪里。
　　
　　此外，這一技術(shù)所產(chǎn)生的錯誤種類對于程序員來說很難診斷和修復(fù)。例如，假設(shè)程序員只熟悉類 D 的頭。他知道 D 的類型參數(shù)的界限是缺省界限（Object）。假如得到那樣的信息，他沒有理由相信滿足聲明類型界限（如 D< Integer>）的 D 的實例化將會導(dǎo)致錯誤。事實上，它在相當(dāng)長的時間里都不會引起錯誤，直到最后有人調(diào)用方法 makeC 以及（最終）對 C 的實例化調(diào)用方法 makeT。然后，我們將得到一個報告的錯誤，但這將在實際問題發(fā)生很久以后 — 類 D 的糟糕實例化。
　　
　　還有，對所報告錯誤的堆棧跟蹤甚至可能不包括任何對這個糟糕的 D 實例的方法調(diào)用！現(xiàn)在，讓我們假設(shè)程序員無權(quán)訪問類 C 的源代碼。他對問題是什么或如何修正代碼將毫無頭緒，除非他設(shè)法聯(lián)系類 C 的維護(hù)者并獲得線索。
　　
　　第 3 種方法：修改語法以獲得更詳盡的界限
　　另一種可能性是修改語言語法以包括更詳盡的類型參數(shù)界限。這些界限可以指定一組可用的構(gòu)造函數(shù)，它們必須出現(xiàn)在參數(shù)的每一個實例化中。因而，在泛型類定義內(nèi)部，唯一可調(diào)用的構(gòu)造函數(shù)是那些在界限中聲明的構(gòu)造函數(shù)。
　　
　　同樣，實例化泛型類的客戶機(jī)類必須使用滿足對構(gòu)造函數(shù)存在所聲明的約束的類來這樣做。參數(shù)聲明將充當(dāng)類與其客戶機(jī)之間的契約，這樣我們可以靜態(tài)地檢查這兩者是否遵守契約。
　　
　　與另外兩種方法相比，該方法有許多優(yōu)點，它答應(yīng)我們保持第二種方法的可表達(dá)性以及與第一種方法中相同的靜態(tài)檢查程度。但它也有需要克服的問題。
　　
　　首先，類型參數(shù)聲明很輕易變得冗長。我們或許需要某種形式的語法上的甜頭，使這些擴(kuò)充的參數(shù)聲明還過得去。另外，假如在 Tiger 以后的版本中添加擴(kuò)充的參數(shù)聲明，那么我們必須確保這些擴(kuò)充的聲明將與現(xiàn)有的已編譯泛型類兼容。
　　
　　假如將對泛型類型的與類型相關(guān)的操作的支持添加到 Java 編程中，那么它采用何種形式還不清楚。但是，從哪種方法將使 Java 代碼盡可能地保持健壯（以及使在它遭到破壞時盡可能輕易地修正）的觀點看，第三個選項無疑是最適合的。
　　
　　然而，new 表達(dá)式有另一個更嚴(yán)重的問題。
　　
　　多態(tài)遞歸
　　更嚴(yán)重的問題是類定義中可能存在多態(tài)遞歸。當(dāng)泛型類在其自己的主體中實例化其本身時，發(fā)生多態(tài)遞歸。例如，考慮下面的錯誤示例：
　　
　　清單 2. 自引用的泛型類
　　
　　class C< T> {
　　　public Object nest(int n) {
　　　　if (n == 0) return this;
　　　　else return new C< C< T>>().nest(n - 1);
　　　}
　　}
　　
　　假設(shè)客戶機(jī)類創(chuàng)建新的 C< Object> 實例，并調(diào)用（比方說）nest(1000)。然后，在執(zhí)行方法 nest() 的過程中，將構(gòu)造新的實例化 C< C< Object>>，并且對它調(diào)用 nest(999)。然后，將構(gòu)造實例化 C< C< C< Object>>>，以此類推，直到構(gòu)造 1000 個獨立的類 C 的實例化。當(dāng)然，我隨便選擇數(shù)字 1000；通常，我們無法知道在運(yùn)行時哪些整數(shù)將被傳遞到方法 nest。事實上，可以將它們作為用戶輸入傳入。
　　
　　為什么這成為問題呢？因為假如我們通過為每個實例化構(gòu)造獨立類來支持泛型類型的與類型相關(guān)的操作，那么，在程序運(yùn)行以前，我們無法知道我們需要構(gòu)造哪些類。但是，假如類裝入器為它所裝入的每個類查找現(xiàn)有類文件，那么它會如何工作呢？
　　
　　同樣，這里有幾種可能的解決辦法：
　　
　　對程序可以產(chǎn)生的泛型類的實例化數(shù)目設(shè)置上限。
　　靜態(tài)禁止多態(tài)遞歸。
　　在程序運(yùn)行時隨需構(gòu)造新的實例化類。
　　
　　第 1 種：對實例化數(shù)設(shè)置上限
　　我們對程序可以產(chǎn)生的泛型類的實例化數(shù)目設(shè)置上限。然后，在編譯期間，我們可以對一組合法的實例化確定有限界限，并且僅為該界限中的所有實例化生成類文件。
　　
　　該方法類似于在 C++ 標(biāo)準(zhǔn)模板庫中完成的事情（這使我們有理由擔(dān)心它不是一個好方法）。該方法的問題是，和為錯誤的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用報告錯誤一樣，程序員將無法預(yù)知其程序的某一次運(yùn)行將崩潰。例如，假設(shè)實例化數(shù)的界限為 42，并且使用用戶提供的參數(shù)調(diào)用先前提到的 nest() 方法。那么，只要用戶輸入小于 42 的數(shù)，一切都正常。當(dāng)用戶輸入 43 時，這一計劃不周的設(shè)計就會失敗。現(xiàn)在，設(shè)想一下可憐的代碼維護(hù)者，他所面對的任務(wù)是重新組合代碼并試圖弄清楚幻數(shù) 42 有什么非凡之處。
　　
　　第 2 種：靜態(tài)禁止多態(tài)遞歸
　　為什么我們不向編譯器發(fā)出類似“靜態(tài)禁止多態(tài)遞歸”這樣的命令呢？（唉！要是那么簡單就好了。）當(dāng)然，包括我在內(nèi)的許多程序員都會反對這種策略，它抑制了許多重要設(shè)計模式的使用。
　　
　　例如，在泛型類 List< T> 中，您真的想要防止 List< List< T>> 的構(gòu)造嗎？從方法返回這種列表對于構(gòu)建許多很常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很有用。事實證實我們無法防止多態(tài)遞歸，即使我們想要那樣，也是如此。就象靜態(tài)檢測糟糕的泛型構(gòu)造函數(shù)調(diào)用一樣，禁止多態(tài)遞歸會與遞增式類編譯發(fā)生沖突。我們先前的簡單示例（其中，多態(tài)遞歸作為一個簡單直接的自引用發(fā)生）會使這一事實變得模糊。但是，自引用對于在不同時間編譯的大多數(shù)類經(jīng)常采用任意的間接級別。再提一次，那是因為一個泛型類可以用其自己的類型參數(shù)來實例化另一個泛型類。
　　
　　下面的示例涉及兩個類之間的多態(tài)遞歸：
　　
　　清單 3. 相互遞歸的多態(tài)遞歸
　　
　　class C< T> {
　　　public Object potentialNest(int n) {
　　　　if (n == 0) return this;
　　　　else return new D< T>().nest(n - 1);
　　　}
　　}
　　
　　class D< S> {
　　　public Object nest(int n) {
　　　　return new C< C< S>>().nest(n);
　　　}
　　}
　　
　　在類 C 或 D 中顯然沒有多態(tài)遞歸，但象 new D< C< Object>>().nest(1000) 之類的表達(dá)式將引起類 C 的 1000 次實例化。
　　
　　或許，我們可以將新屬性添加到類文件中，以表明類中所有不同泛型類型實例化，然后在編譯其它類時分析這些實例化，以進(jìn)行遞歸。但是，我們還是必須向程序員提供希奇的和不直觀的錯誤消息。
　　
　　在上面的代碼中，我們在哪里報告錯誤呢？在類 D 的編譯過程中還是在包含不相干表達(dá)式 new D< C< Object>>().nest(1000) 的客戶機(jī)類的編譯過程中呢？無論是哪一種，除非程序員有權(quán)訪問類 C 的源代碼，否則他無法預(yù)知何時會發(fā)生編譯錯誤。
　　
　　第 3 種：實時構(gòu)造新的實例化類
　　另一種方法是在程序運(yùn)行時按需構(gòu)造新的實例化類。起先，這種方法似乎與 Java 運(yùn)行時完全不兼容。但實際上，實現(xiàn)該策略所需的全部就是使用一個修改的類裝入器，它根據(jù)“模板（template）”類文件構(gòu)造新的實例化類。
　　
　　JVM 規(guī)范已經(jīng)答應(yīng)程序員使用修改的類裝入器；事實上，許多流行的 Java 應(yīng)用程序（如 Ant、JUnit 和 DrJava）都使用它們。該方法的缺點是：修改的類裝入器必須與其應(yīng)用程序一起分布，以在較舊的 JVM 上運(yùn)行。因為類裝入器往往比較小，所以這個開銷不會大。

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