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 并不等于 List）。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 {
    public T get();
    public void put(T element);
}

由于泛型不具备协变性，Box 并不等同于 Box，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 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 的内容，并将它作为一个 Number，然后将一个 Integer 放入 Box 中：

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

Box nBox = new BoxImpl(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：

                
public interface Box {
    public T get();
    public void put(T element);
    public void put(Box 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：

                
Box nBox = new BoxImpl();
Box iBox = new BoxImpl();

nBox.put(iBox);     // ERROR

显示一条错误消息，表示无法在 Box 中找到方法 put(Box)。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 不是 Box，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，这表示 Box 的类型参数可以是 T 或 T 的任何子类。

                
public interface Box {
    public T get();
    public void put(T element);
    public void put(Box 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)，因为 Box 匹配有界通配符 Box。

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，而不是 Collection。例如，在 java.util.concurrent 包的 AbstractExecutorService 中，invokeAll() 的参数最初是一个 Collection>。但是，这样使用 invokeAll() 非常麻烦，因为这要求必须由 Callable 参数化的集合持有任务集，而不是由实现 Callable 的类参数化的集合。在 Java 6 中，这种签名被修改为 Collection> — 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> 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：

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

    boolean containsSame(Box other, 
                         EqualityComparator comparator);

    public interface EqualityComparator {
        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。这意味着我们不能编写如清单 6 所示的代码：

                
public static EqualityComparator