Kotlin中的泛型

ScottSong發表於2018-11-08

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一個生產環境問題引發的思考。

在JDK1.5之前，生產環境中總是會出現這樣類似的問題：

List list = new ArrayList ();
list.add ("foo");
list.add (new Integer (42));  // added by "mistake"

for (Iterator i = list.iterator (); i.hasNext (); ) {
    String s = (String) i.next (); 
       // ClassCastException for Integer -> String
    // work on `s'
    System.out.println (s);
}
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由於add()接受Object型別，可能在開發除錯階段測試資料使用的都是String型別，直到上線到生產環境中，某次傳入了一個Integer型別資料，於是系統崩潰了……

為了解決此類的資料型別安全問題，Java在JDK1.5中提出了泛型，於是問題提早的在開發階段暴露出來：

// constructed generic type
List<String> list = new ArrayList<String> ();
list.add ("foo");
list.add (42); // error: cannot find symbol: method add(int)
for (String s : list)
    System.out.println (s);
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除了解決資料型別安全問題，泛型的引入也更多的使用到設計模式當中。泛型的本質就是讓型別也變成引數。比如定義函式時宣告形參，在呼叫函式時傳入實參。型別的引數化也同樣，定義函式或類時宣告成泛型（泛型形參），在呼叫或例項化時傳入具體的型別（泛型實參）。

Java中的泛型

Java中泛型可以用在類、介面和方法中，分別稱為泛型類、泛型介面和泛型方法。下面分別來看一下。

泛型類

泛型應用在類的宣告中，稱為泛型類，其格式如下：

[訪問許可權] class 類名 <泛型，泛型……>{
    ……
}
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比如定義如下泛型類：

class CustomGenerics<V> { //泛型形參，常見的泛型形參標識如T、E、K、V等
    private V value; //成員變數的型別為V，V是在例項化是外部傳入的。

    CustomGenerics(V value) {
        this.value = value;
    }

    public V getValue() {
        return value;
    }
}
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型別建立的格式如下：

類名<具體型別> 物件名稱 = new 類名<具體型別>()
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比如例項化上面定義的泛型類。

public class TestGenerics {
    //在例項化泛型類時，指定泛型實參
    CustomGenerics<String> cStr = new CustomGenerics<String>("sguotao");
    CustomGenerics<Integer> cInt = new CustomGenerics<Integer>(9456);
}
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總結一下泛型類中的一些注意事項：

在例項化泛型類時，要指定泛型實參。（即需要指定具體型別）
指定的泛型實參型別只能是類型別，不能是基本資料型別。（不能是int，long，可以是Integer，Long等）

泛型介面

宣告泛型介面的格式與宣告泛型類相似：

interface 介面名<泛型,泛型……>{
 ……
}
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比如定義如下泛型介面。

interface CustomGenericsInterface<T> {
    public T generate();
}
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在實現泛型介面的類中，指定泛型實參。

class CustomImpl implements CustomGenericsInterface<String> {
    public String generate() {
        return "hello";
    }
}
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泛型方法

宣告泛型方法的格式：

[訪問許可權] <泛型> 返回值型別 方法名( 泛型 引數名)
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比如上面的泛型類中定義如下的泛型方法：

class CustomGenerics<V> { //泛型形參，常見的泛型形參標識如T、E、K、V等
    private V value; //成員變數的型別為V，V是在例項化是外部傳入的。

    CustomGenerics(V value) {
        this.value = value;
    }

    public V getValue() {
        return value;
    }

    //泛型方法
    public <T> V genericMethod(T t1, V v1) { //泛型方法需要在返回值型別前有<泛型>的標記
        //泛型方法中可以使用泛型方法宣告的泛型，也可以使用泛型類宣告的泛型
        return value;
    }

    //泛型方法
    public <V> void genericMethod(V v1) {//泛型方法中宣告的泛型引數V與泛型類中宣告的泛型T不是同一個
    }
    
    //泛型方法
    public static <T> void genericStaticMethod(T t1) {//靜態的泛型方法無法使用泛型類中宣告的泛型

    }
}
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總結一下泛型方法中的一些注意事項：

判斷一個方法是否為泛型方法最直接的方式，看方法返回值前是否有<泛型>的標記；
在泛型類中宣告的泛型方法，即可以使用泛型類中宣告的泛型，也可以使用泛型方法中宣告的泛型；比如上面示例中的泛型方法genericMethod(T t1, V v1) 。
如果泛型方法中宣告的泛型引數與泛型類中的泛型引數相同，那麼可以認為泛型方法中的泛型引數覆蓋了泛型類中的泛型引數，比如上面示例中的genericMethod(V v1)。
還有一點需要指出，泛型類中的使用了泛型引數，但是在返回值前沒有<泛型>標記的方法，不是泛型方法，比如上面示例中的getValue()，該方法只是使用了泛型引數，並不是泛型方法。
如果泛型方法是靜態方法，那麼此時泛型方法是無法使用泛型類中宣告的泛型，比如上面示例中的泛型方法genericStaticMethod(T t1)，該方法只能使用泛型方法中的泛型T，無法使用泛型類中的泛型V。

泛型擦除

Java中的泛型是偽泛型，要了解偽泛型，先來了解什麼是真泛型？在C#中使用的泛型，就是真泛型。如在C#中定義泛型：

 //泛型類
public class GenericClass<T>
 {
    T _t;
     public GenericClass(T t)
    {
        _t = t;
    }
    public override string ToString()
    {
        return _t.ToString();
    }
}
    
public class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        GenericClass<int> gInt = new GenericClass<int>(123456); 
        Console.WriteLine(gInt.GetType());
        Console.WriteLine(gInt.ToString());

        GenericClass<string> gStr = new GenericClass<string>("Test");
        Console.WriteLine(gStr.GetType());
        Console.WriteLine(gStr.ToString());

        Console.Read(); 
     }
}
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檢視輸出結果：

檢視IL發現：

而Java中的泛型只存在於編譯期，在生成的位元組碼檔案中是不包含任何泛型資訊的。比如下面的兩個方法，在位元組碼中具有相同的函式簽名。

使用泛型的時候加上的型別引數，會在編譯器在編譯的時候去掉，這個過程就稱為型別擦除。

在C#裡面泛型無論在程式原始碼中、編譯後的IL中或是執行期的CLR中都是切實存在的，List與List就是兩個不同的型別，它們在系統執行期生成，有自己的虛方法表和型別資料。

在Java語言中的泛型則不一樣，它只在程式原始碼中存在，在編譯後的位元組碼檔案中，就已經被替換為原來的原始型別（Raw Type）了，並且在相應的地方插入了強制轉型程式碼，因此對於執行期的Java語言來說，ArrayList與ArrayList就是同一個型別。

萬用字元？及型變

是否有這樣的疑問，為什麼Number的物件可以由Integer例項化，而ArrayList的物件卻不能由ArrayList例項化？先來看下面的程式碼：

Number num = new Integer(1);  
ArrayList<Number> list = new ArrayList<Integer>(); //type mismatch
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Integer是Number的子類，所以Number物件可以由Integer例項化，這是Java多型的特性，那麼Integer是Number的子類，List是不是List 的父類呢？答案是否定的。List和List沒有繼承關係，看似需要宣告多個方法來接收這些不同的泛型實參了，這顯然與Java的多型性是相背離的。

這時，就需要一個在邏輯上可以用來表示同時是List和List 的父類的一個引用型別，由此，型別萬用字元應運而生。Java中的萬用字元用?來表示，萬用字元?可以認為是任意型別的父類，它是一個具體的型別，是泛型實參，這裡需要注意與泛型形參T、V的區別。

萬用字元的引入不只是解決了泛型實參之間的邏輯關係，更重要的一點，對泛型引入了邊界的概念。

萬用字元?的上界

萬用字元的上界使用<? extends T>的格式，表示類或者方法接收T或者T的子型別，比如：

List<? extends Number> list = new ArrayList<Number>();
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萬用字元?的上界，又可以稱為協變。

萬用字元?的下界

萬用字元的下界使用<? super T>的格式，表示類或者方法接收T或者T的父型別，比如：

 List<? super Integer> list = new ArrayList<Number>();
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萬用字元?的下界，又稱為逆變。關於逆變和協變，下面詳細介紹：

協變和逆變

Java中的泛型是既不支援協變，也不支援逆變。那什麼是逆變，什麼是協變？簡單的說，協變就是定義了型別的上邊界，而逆變則定義了型別的下邊界。看一個協變的例子：

ArrayList<Number> list = new ArrayList<Integer>(); //type mismatch
List<? extends Number> list = new ArrayList<Number>();
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? extends Number的含義是：接收Number的子類，也包括Number，作為泛型實參。再來看逆變。

在Java中是不能將父類的例項賦值給子類的變數，但是在泛型中可以通過萬用字元?來模擬逆變，比如：

List<? super Integer> list = new ArrayList<Number>();
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? super Integer的含義是：接收Integer的基類，也包括Integer本身作為泛型實參。

協變與逆變的數學定義：

逆變與協變用來描述型別轉換（type transformation）後的繼承關係，其定義：如果A、B表示型別，f(⋅)表示型別轉換，≤表示繼承關係（比如，A≤B表示A是由B派生出來的子類）；

f(⋅)是逆變（contravariant）的，當A≤B時有f(B)≤f(A)成立；

f(⋅)是協變（covariant）的，當A≤B時有f(A)≤f(B)成立；

f(⋅)是不變（invariant）的，當A≤B時上述兩個式子均不成立，即f(A)與f(B)相互之間沒有繼承關係。

什麼時候使用協變和逆變

什麼時候使用協變?extends，什麼時候使用逆變 ?super，在《Effective Java》中給出了一個PECS原則：

PECS：Producer extends,Customer super

當使用泛型類作為生產者，需要從泛型類中取資料時，使用extends，此時泛型類是協變的；當使用泛型類作為消費者，需要往泛型類中寫資料時，使用suepr，此時泛型類是逆變的。一個經典的案例就是Collections中的copy方法。

    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();
                di.set(si.next());
            }
        }
    }
複製程式碼

copy方法實現從源src到目的dest的複製，源src可以看作是生產者，使用協變，目的dest可以看作是消費者，使用逆變。