輕松掌握 Java 泛型 (第 1 部分)

2019-11-18 13:15:13

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供稿：網(wǎng)友

　　J2SE 1.5 －代號(hào)為 Tiger －計(jì)劃在 2003 年年底發(fā)布。我一直都熱衷于盡可能多地收集有關(guān)即將推出的新技術(shù)的預(yù)告信息，因此我將撰寫一系列的文章，討論可從 V1.5 中獲得的新的和經(jīng)過(guò)重組的特性，本文是第一篇。我非凡想談?wù)劮盒皖愋筒⒅攸c(diǎn)講述在 Tiger 中為了支持它們而進(jìn)行的更改和調(diào)整。
　　
　　在許多方面，Tiger 肯定是迄今為止在 java 編程方面（包括對(duì)源語(yǔ)言語(yǔ)法的重大擴(kuò)展）所取得的最大進(jìn)步。Tiger 中計(jì)劃進(jìn)行的最顯著的變化是添加泛型類型，正如在 JSR-14 原型編譯器中所預(yù)先展示的那樣（您可以立即免費(fèi)下載該編譯器；請(qǐng)參閱參考資料）。
　　
　　讓我們從介紹泛型類型是什么以及添加了什么特性來(lái)支持它們開(kāi)始吧。
　　
　　數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和錯(cuò)誤
　　為理解泛型類型為何如此有用，我們要將注重力轉(zhuǎn)向 Java 語(yǔ)言中最輕易引發(fā)錯(cuò)誤的因素之一－需要不斷地將表達(dá)式向下類型轉(zhuǎn)換（downcast）為比其靜態(tài)類型更為具體的數(shù)據(jù)類型（請(qǐng)參閱參考資料中的“The Double Descent bug pattern”，以了解進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換時(shí)，可能會(huì)碰到的麻煩的某些方面）。
　　
　　程序中的每個(gè)向下類型轉(zhuǎn)換對(duì)于 ClassCastException 而言都是潛在的危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)盡量避免它們。但是在 Java 語(yǔ)言中它們通常是無(wú)法避免的，即便在設(shè)計(jì)優(yōu)良的程序中也是如此。
　　
　　在 Java 語(yǔ)言中進(jìn)行向下類型轉(zhuǎn)換最常見(jiàn)的原因在于，經(jīng)常以專用的方式來(lái)使用類，這限制了方法調(diào)用所返回的參數(shù)可能的運(yùn)行時(shí)類型。例如，假定往 Hashtable 中添加元素并從中檢索元素。那么在給定的程序中，被用作鍵的元素類型和存儲(chǔ)在散列表中的值類型，將不能是任意對(duì)象。通常，所有的鍵都是某一特定類型的實(shí)例。同樣地，存儲(chǔ)的值將共同具有比 Object 更具體的公共類型。
　　
　　但是在目前現(xiàn)有的 Java 語(yǔ)言版本中，不可能將散列表的特定鍵和元素聲明為比 Object 更具體的類型。在散列表上執(zhí)行插入和檢索操作的類型特征符告訴我們只能插入和刪除任意對(duì)象。例如，put 和 get 操作的說(shuō)明如下所示：
　　
　　清單 1. 插入／檢索類型說(shuō)明表明只能是任意對(duì)象
　　
　　class Hashtable {
　　　Object put(Object key, Object value) {...}
　　　Object get(Object key) {...}
　　　...
　　}
　　
　　因此，當(dāng)我們從類 Hashtable 的實(shí)例檢索元素時(shí)，比如，即使我們知道在 Hashtable 中只放了 String，而類型系統(tǒng)也只知道所檢索的值是 Object 類型。在對(duì)檢索到的值進(jìn)行任何特定于 String 的操作之前，必須將它強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 String，即使是將檢索到的元素添加到同一代碼塊中，也是如此！
　　
　　清單 2. 將檢索到的值強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成 String
　　
　　import java.util.Hashtable;
　　class Test {
　　　public static void main(String[] args) {
　　　　Hashtable h = new Hashtable();
　　　　h.put(new Integer(0), "value");
　　　　String s = (String)h.get(new Integer(0));
　　　　System.out.PRintln(s);
　　　}
　　}
　　
　　請(qǐng)注重 main 方法主體部分的第三行中需要進(jìn)行的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。因?yàn)?Java 類型系統(tǒng)相當(dāng)薄弱，因此代碼會(huì)因象上面那樣的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換而漏洞百出。這些數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換不僅使 Java 代碼變得更加拖沓冗長(zhǎng)，而且它們還降低了靜態(tài)類型檢查的價(jià)值（因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換都是一個(gè)選擇忽略靜態(tài)類型檢查的偽指令）。我們?cè)撊绾螖U(kuò)展該類型系統(tǒng)，從而不必回避它呢？
　　
　　用泛型類型來(lái)解決問(wèn)題！
　　要消除如上所述的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，有一種普遍的方法，就是用泛型類型來(lái)增大 Java 類型系統(tǒng)。可以將泛型類型看作是類型“函數(shù)”；它們通過(guò)類型變量進(jìn)行參數(shù)化，這些類型變量可以根據(jù)上下文用各種類型參數(shù)進(jìn)行實(shí)例化。
　　
　　例如，與簡(jiǎn)單地定義類 Hashtable 不同，我們可以定義泛型類 Hashtable< Key, Value>，其中 Key 和 Value 是類型參數(shù)。除了類名后跟著尖括號(hào)括起來(lái)的一系列類型參數(shù)聲明之外，在 Tiger 中定義這樣的泛型類的語(yǔ)法和用于定義普通類的語(yǔ)法很相似。例如，可以按照如下所示的那樣定義自己的泛型 Hashtable 類：
　　
　　清單 3. 定義泛型 Hashtable 類
　　
　　class Hashtable< Key, Value> { ... }
　　
　　然后可以引用這些類型參數(shù)，就像我們?cè)陬惗x主體內(nèi)引用普通類型那樣，如下所示：
　　
　　清單 4. 像引用普通類型那樣引用類型參數(shù) class Hashtable< Key, Value> {
　　　...
　　　Value put(Key k, Value v) {...}
　　　Value get(Key k) {...}
　　}
　　
　　類型參數(shù)的作用域就是相應(yīng)類定義的主體部分（除了靜態(tài)成員之外）（在下一篇文章中，我們將討論為何 Tiger 實(shí)現(xiàn)中有這樣的“怪習(xí)”，即必須對(duì)靜態(tài)成員進(jìn)行此項(xiàng)限制。請(qǐng)留意！）。
　　
　　創(chuàng)建一個(gè)新的 Hashtable 實(shí)例時(shí)，必須傳遞類型參數(shù)以指定 Key 和 Value 的類型。傳遞類型參數(shù)的方式取決于我們打算如何使用 Hashtable。在上面的示例中，我們真正想要做的是創(chuàng)建 Hashtable 實(shí)例，它只將 Integer 映射為 String。可以用新的 Hashtable 類來(lái)完成這件事：
　　
　　清單 5. 創(chuàng)建將 Integer 映射為 String 的實(shí)例
　　
　　import java.util.Hashtable;
　　class Test {
　　　public static void main(String[] args) {
　　　　Hashtable< Integer, String> h = new Hashtable< Integer, String>();
　　　　h.put(new Integer(0), "value");
　　　　...
　　　}
　　}
　　
　　現(xiàn)在不再需要數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換了。請(qǐng)注重用來(lái)實(shí)例化泛型類 Hashtable 的語(yǔ)法。就像泛型類的類型參數(shù)用尖括號(hào)括起來(lái)那樣，泛型類型應(yīng)用程序的參數(shù)也是用尖括號(hào)括起來(lái)的。
　　
　　清單 6. 除去不必要的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換
　　
　　...
　　String s = h.get("key");
　　System.out.println(s);
　　
　　當(dāng)然，程序員若只是為了能使用泛型類型而必須重新定義所有的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用程序類（比如 Hashtable 和 List）的話，則可能會(huì)是一項(xiàng)浩大的工程。幸好，Tiger 為用戶提供了所有 Java 集合類的泛型版本，因此我們不必自己動(dòng)手來(lái)重新定義它們了。此外，這些類能與舊代碼和新的泛型代碼一起無(wú)縫工作（下個(gè)月，我們會(huì)說(shuō)明如何做到這一點(diǎn)）。
　　
　　Tiger 的基本類型限制
　　Tiger 中類型變量的限制之一就是，它們必須用引用類型進(jìn)行實(shí)例化－基本類型不起作用。因此，在上面這個(gè)示例中，無(wú)法完成創(chuàng)建從 int 映射到 String 的 Hashtable。
　　
　　這很遺憾，因?yàn)檫@意味著只要您想把基本類型用作泛型類型的參數(shù)，您就必須把它們組裝為對(duì)象。另一方面，當(dāng)前的這種情況是最糟的；您不能將 int 作為鍵傳遞給 Hashtable，因?yàn)樗械逆I都必須是 Object 類型。
　　
　　我們真正想看到的是，基本類型可以自動(dòng)進(jìn)行包裝（boxing）和解包裝（unboxing），類似于用 C# 所進(jìn)行的操作（或者比后者更好）。遺憾的是，Tiger 不打算包括基本類型的自動(dòng)包裝（但是人們可以一直期待 Java 1.6 中出現(xiàn)該功能！）。
　　
　　受限泛型
　　有時(shí)我們想限制可能出現(xiàn)的泛型類的類型實(shí)例化。在上面這個(gè)示例中，類 Hashtable 的類型參數(shù)可以用我們想用的任何類型參數(shù)進(jìn)行實(shí)例化，但是對(duì)于其它某些類，我們或許想將可能的類型參數(shù)集限定為給定類型范圍內(nèi)的子類型。
　　
　　例如，我們可能想定義泛型 ScrollPane 類，它引用普通的帶有滾動(dòng)條功能的 Pane。被包含的 Pane 的運(yùn)行時(shí)類型通常會(huì)是類 Pane 的子類型，但是靜態(tài)類型就只是 Pane。
　　
　　有時(shí)我們想用 getter 檢索被包含的 Pane，但是希望 getter 的返回類型盡可能具體些。我們可能想將類型參數(shù) MyPane 添加到 ScrollPane 中，該類型參數(shù)可以用 Pane 的任何子類進(jìn)行實(shí)例化。然后可以用這種形式的子句：extends Bound 來(lái)說(shuō)明 MyPane 的聲明，從而來(lái)設(shè)定 MyPane 的范圍：
　　
　　清單 7. 用 extends 子句來(lái)說(shuō)明 MyPane 聲明
　　
　　class ScrollPane< MyPane extends Pane> { ... }
　　
　　當(dāng)然，我們可以完全不使用顯式的范圍，只要能確保沒(méi)有用不適當(dāng)?shù)念愋蛠?lái)實(shí)例化類型參數(shù)。
　　
　　為什么要自找麻煩在類型參數(shù)上設(shè)定范圍呢？這里有兩個(gè)原因。首先，范圍使我們?cè)黾恿遂o態(tài)類型檢查功能。有了靜態(tài)類型檢查，就能保證泛型類型的每次實(shí)例化都符合所設(shè)定的范圍。
　　
　　其次，因?yàn)槲覀冎李愋蛥?shù)的每次實(shí)例化都是這個(gè)范圍之內(nèi)的子類，所以可以放心地調(diào)用類型參數(shù)實(shí)例出現(xiàn)在這個(gè)范圍之內(nèi)的任何方法。假如沒(méi)有對(duì)參數(shù)設(shè)定顯式的范圍，那么缺省情況下范圍是 Object，這意味著我們不能調(diào)用范圍實(shí)例在 Object 中未曾出現(xiàn)的任何方法。
　　
　　多態(tài)方法
　　除了用類型參數(shù)對(duì)類進(jìn)行參數(shù)化之外，用類型參數(shù)對(duì)方法進(jìn)行參數(shù)化往往也同樣很有用。泛型 Java 編程用語(yǔ)中，用類型進(jìn)行參數(shù)化的方法被稱為多態(tài)方法（Polymorphic method）。
　　
　　多態(tài)方法之所以有用，是因?yàn)橛袝r(shí)候，在一些我們想執(zhí)行的操作中，參數(shù)與返回值之間的類型相關(guān)性原本就是泛型的，但是這個(gè)泛型性質(zhì)不依靠于任何類級(jí)的類型信息，而且對(duì)于各個(gè)方法調(diào)用都不相同。
　　
　　例如，假定想將 factory 方法添加到 List 類中。這個(gè)靜態(tài)方法只帶一個(gè)參數(shù)，也將是 List 唯一的元素（直到添加了其它元素）。因?yàn)槲覀兿Ｍ?List 成為其所包含的元素類型的泛型，所以希望靜態(tài) factory 方法帶有類型變量 T 這一參數(shù)并返回 List< T> 的實(shí)例。
　　
　　但是我們確實(shí)希望該類型變量 T 能在方法級(jí)別上進(jìn)行聲明，因?yàn)樗鼤?huì)隨每次單獨(dú)的方法調(diào)用而發(fā)生改變（而且，正如我在下一篇文章中將討論的那樣，Tiger 設(shè)計(jì)的“怪習(xí)”規(guī)定靜態(tài)成員不在類級(jí)類型參數(shù)的范疇之內(nèi)）

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