<? extends T> 和 <? super T> 是Java泛型中的“通配符(Wildcards)” 和 “边界(Bounds)”的概念

  • <? extends T> 是指   “上界通配符(Upper Bounds Wildcards)
  • <? super T> 是指  “下界通配符(Lower Bounds Wildcards)

1. 为什么要用通配符和边界?

使用泛型的过程中,经常出现一种很别扭的情况。比如,我们有Fruit类,和它的派生类Apple类。

class Fruit {} 
class Apple extends Fruit {}

然后有一个最简单的容器:Plate类。盘子里可以放一个泛型的“东西”。我们可以对这个东西做最简单的“放”和“取”的动作:set()和get()方法。

public class Plate<T> { 
    private T item; 
 
    public Plate(T t) { 
        this.item = t; 
    } 
 
    public T get() { 
        return item; 
    } 
 
    public void set(T item) { 
        this.item = item; 
    } 
 
}

现在我定义一个“水果盘子”,逻辑上水果盘子当然可以装苹果。

Plate<Fruit> p=new Plate<Apple>(new Apple());

但实际上Java编译器不允许这个操作。会报错,“装苹果的盘子”无法转换成“装水果的盘子”。

Type mismatch: cannot convert from Plate<Apple> to Plate<Fruit>

所以我的尴尬症就犯了。实际上,编译器脑袋里认定的逻辑是这样的:

  • 苹果 IS-A 水果
  • 装苹果的盘子 NOT-IS-A 装水果的盘子

所以,就算容器里装的东西之间有继承关系,但容器之间是没有继承关系的。所以我们不可以把Plate<Apple>的引用传递给Plate<Fruit>。

为了让泛型用起来更舒服,Sun的大脑袋们就想出了<? extends T>和<? super T>的办法,来让“水果盘子” 和 “苹果盘子”之间发生关系。

2. 什么是上界?

下面代码就是“上界通配符(Upper Bounds Wildcards)”:

Plate<? extends Fruit>

翻译成人话就是:一个能放水果以及一切是水果派生类的盘子。再直白点就是:啥水果都能放的盘子。这和我们人类的逻辑就比较接近了。Plate<? extends Fruit>和Plate<Apple>最大的区别就是:Plate<? extends Fruit>是Plate<Fruit>以及Plate<Apple>的基类。直接的好处就是,我们可以用“苹果盘子”给“水果盘子”赋值了。

Plate<? extends Fruit> p=new Plate<Apple>(new Apple());

如果把Fruit和Apple的例子再扩展一下,食物分成水果和肉类,水果有苹果和香蕉,肉类有猪肉和牛肉,苹果还有两种青苹果和红苹果。

//Lev 1 
class Food{} 
 
//Lev 2 
class Fruit extends Food{} 
class Meat extends Food{} 
 
//Lev 3 
class Apple extends Fruit {} 
class Banana extends Fruit{} 
class Pork extends Meat{} 
class Beef extends Meat{} 
 
//Lev 4 
class ReadApple extends Apple{} 
class GreenApple extends Apple{}

在这个体系中,上界通配符 “Plate<? extends Fruit>” 覆盖下图中蓝色的区域

 3. 什么是下界?

 相对应的,“下界通配符(Lower Bounds Wildcards)”: 

Plate<? super Fruit>

表达的就是相反的概念:一个能放水果以及一切是水果基类的盘子。Plate<? super Fruit>是Plate<Fruit>的基类,但不是Plate<Apple>的基类。对应刚才那个例子,Plate<? super Fruit>覆盖下图中红色的区域。

 

4. 上下界通配符的副作用

边界让Java不同泛型之间的转换更容易了。但不要忘记,这样的转换也有一定的副作用。那就是容器的部分功能可能失效。

还是以刚才的Plate为例。我们可以对盘子做两件事,往盘子里set( )新东西,以及从盘子里get( )东西。

public class Plate<T> { 
    private T item; 
 
    public Plate(T t) { 
        this.item = t; 
    } 
 
    public T get() { 
        return item; 
    } 
 
    public void set(T item) { 
        this.item = item; 
    } 
}

4.1 上界<? extends T>不能往里存,只能往外取

<? extends Fruit>会使往盘子里放东西的set()方法失效。但取东西get()方法还有效。比如下面例子里两个set()方法,插入Apple和Fruit都报错。

Plate<? extends Fruit> fruitPlate = new Plate<Apple>(new Apple()); 
 
//不能存入任何元素 
fruitPlate.set(new Apple());    //Error  编译错误 
fruitPlate.set(new Fruit());    //Error  编译错误 
 
//读取出来的东西只能放在Fruit或它的基类里 
Fruit newFruit1=fruitPlate.get(); 
Object newFruit2 = fruitPlate.get(); 
Apple newFruit3 = fruitPlate.get();  //Error

原因是编译器只知道容器内是Fruit或者它的派生类,但具体是什么类型不知道。可能是Fruit?可能是Apple?也可能是Banana,RedApple,GreenApple?编译器在看到后面用Plate<Apple>赋值以后,盘子里没有被标上有“苹果”。而是标上一个占位符:CAP#1,来表示捕获一个Fruit或Fruit的子类,具体是什么类不知道,代号CAP#1。然后无论是想往里插入Apple或者Meat或者Fruit编译器都不知道能不能和这个CAP#1匹配,所以就都不允许。

所以通配符<?>和类型参数<T>的区别就在于,对编译器来说所有的T都代表同一种类型。比如下面这个泛型方法里,三个T都指代同一个类型,要么都是String,要么都是Integer。

public <T> List<T> fill(T... t);

但通配符<?>没有这种约束,Plate<?>单纯的就表示:盘子里放了一个东西,是什么我不知道。

 4.2 下界<? super T>不影响往里存,但往外取只能放在Object对象里

使用下界<? super Fruit>会使从盘子里取东西的get( )方法部分失效,只能存放到Object对象里。set( )方法正常。 

Plate<? super Fruit> fruitPlate = new Plate<Fruit>(new Fruit()); 
 
//存入元素正常 
fruitPlate.set(new Apple()); 
fruitPlate.set(new Fruit()); 
 
//读取出来的东西只能存放在Object类里 
Object newFruit1 = fruitPlate.get(); 
Fruit newFruit2 = fruitPlate.get();  //Error 
Apple newFruit3 = fruitPlate.get();  //Error

因为下界规定了元素的最小粒度的下限,实际上是放松了容器元素的类型控制。既然元素是Fruit的基类,那往里存粒度比Fruit小的都可以。但往外读取元素就费劲了,只有所有类的基类Object对象才能装下。但这样的话,元素的类型信息就全部丢失。

 5. PECS原则

最后看一下什么是PECS(Producer Extends Consumer Super)原则,已经很好理解了:

  • 频繁往外读取内容的,适合用上界Extends。
  • 经常往里插入的,适合用下界Super。


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